Диссертация (1105134), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Меньший порядок ионизации в УФ диапазоне может приводить к более легкой ионизации воздуха с образованием более длинных плазменных каналов,чем в случае ИК излучения. Однако возможности управления параметрами каналов изученысравнительно слабо. Представляет значительный интерес исследование возможности применения стандартных для ИК излучения методов управления филаментацией к излучению УФдиапазона.1.5. Филаментация на протяженных трассах в атмосфереФиламентация мощного фемтосекундного излучения на протяженных трассах (сотни метров и более) представляет значительный интерес в связи с атмосферными приложениямифиламентации [7, 8].
Однако ее исследование сопряжено с рядом трудностей.Экспериментальные исследования осложняются необходимостью проведения сложных идорогостоящих натурных экспериментов. В ряде случаев в качестве протяженной трассы удавалось использовать коридоры лабораторных корпусов [59, 79]. Дополнительную сложностьпредставляют продольная и поперечная нестабильности пучка и филаментов, связанные какс нестабильностями лазерных систем, так и с принципиальной стохастичностью процессараспространения излучения в условиях турбулентной атмосферы.Численное моделирования таких задач также отягощено рядом факторов. Во-первых,большая протяженность трассы сильно увеличивает время расчетов. Во-вторых, отсутствиерадиальной симметрии из-за неоднородностей показателя преломления вынуждает использовать полную трехмерную постановку задачи филаментации (см.
раздел 2.3.1). Затем, интереспредставляет распространение излучения с пиковой мощностью, многократно (в сто и более— 11 —раз) превосходящей критическую мощность самофокусировки. Это неизбежно ведет к развитию множественной филаментации с образованием широких пучков тонких филаментов, чтов моделировании налагает жесткие условия на разрешающую способность расчетной сетки.Наконец, исследование случайного процесса распространения предполагает набор статистики, что как минимум на порядок увеличивает объем вычислений.Одно из первый теоретических исследований процесса множественной филаментации было проведено в [80].
Пучок сантиметрового диаметра имел гауссовый профиль с добавлениемначальных возмущений, его пиковая мощность составляла 35 . В процессе распространения он образовывал четыре отдельных филамента, которые (в условиях моделирования)существовали, по крайней мере, на протяжении 2–3 м. Начальный шум привел к образованию центров зарождения будущих филаментов; после старта филаментов дефокусированноеизлучение концентрировалось в общем энергетическом резервуаре и давало начало новымфиламентам.Филаментация мощного лазерного излучения на протяженных трассах часто носит случайный характер.
Это относится, прежде всего, к продольному и поперечному положениюточки образования филамента, а также к количеству и динамике взаимодействия множественных филаментов при многократном превышении пиковой мощности над . Основныефакторы, определяющие стохастический характер процесса, включают неоднородности начального распределения поля в лазерном импульсе (они могут носить случайный, шумовойхарактер или создаваться искусственно, например, в сегментированных пучках), а такжефлуктуации показателя преломления среды.
Причиной последних может выступать атмосферная турбулентность или распределенный в среде аэрозоль.Экспериментально влияние турбулентных флуктуаций на филаментацию пучка исследовалось в [81,82]. Турбулентное возмущение создавалось потоком воздуха в перпендикулярномлазерному лучу направлении. В обоих работах отмечался вероятностный характер образования филамента, но только для турбулентностей, существенно превосходящих атмосферную,и относительно малых мощностей пучка. Также указывалось, что турбулентные возмущениясильнее влияют на поперечное положение пучка на начальном, пре-филаментационном этапераспространения импульса.В [83] исследовалась поперечная стабильность филаментов. В эксперименте и численноммоделировании распространения мощного однородного пучка сквозь атмосферу с колмогоровским спектром турбулентных флуктуаций было показано, что положение «горячих точек» в поперечном сечении описывается распределением Рэлея.
Этот результат был уточненв [82], где распределение оказалось более общим распределением Вейбулла.Поперечная стабильность филамента в условиях турбулентности и вероятность его образования исследовалась также в [84]. В качестве параметра, определяющего указанную вероятность, авторы предлагают использовать не параметр турбулентности 2 , а произведение2 , где — длина турбулентной области. Авторы предсказывают, что для сильной атмосферной турбулентности 2 = 10−13 см−2/3 вероятность обнаружить филамент после 4-кмтрассы составит 50%.— 12 —Продольное положение точки старта филамента (нелинейного фокуса) часто имеет болееважное значение, чем его поперечное положение, поскольку разброс в поперечном направлении, как правило, не превосходит нескольких сантиметров, а продольное положение отимпульса к импульсу может изменяться на несколько десятков метров.
Точка старта филамента определяется, прежде всего, пиковой мощностью пучка и его поперечным размером.Увеличение последнего может также приводить к потере непрерывности плазменного канала [85, 86].В [87] для отдельных значений параметров (размер пучка, спектр турбулентных флуктуаций) было показано, что в условиях турбулентности среднее расстояние до нелинейногофокуса уменьшается по сравнению с регулярным случаем.
При уменьшении пиковой мощности излучения увеличивается разброс расстояний до точки старта филамента.В [88] на основе отдельных расчетов указывалось на увеличение расстояния до нелинейного фокуса в условиях турбулентности по сравнению с невозмущенным случаем. При сильнойтурбулентности отмечалась возможность отсутствия филамента в пучке, то есть турбулентность воспрепятствовала филаментации. Однако в [89] при исследовании самофокусировкиотдельных временных слоев импульса высокой пиковой мощности было обнаружено, что увеличение интенсивности атмосферной турбулентности приводит к укорочению расстояния донелинейного фокуса и большему турбулентному уширению пучка филаментов.
Увеличениеже внутреннего масштаба турбулентности, напротив, приводит к небольшому замедлениюфиламентации. В [90] в численном моделировании наблюдалось как уменьшение, так и увеличение расстояния до нелинейного фокуса. Также была показана большая устойчивостьпродольного положения филамента при использовании чирпированных импульсов.В [82] при рассмотрении продольные смещения нелинейного фокуса было показано, чтосильная турбулентность приводит к увеличению расстояния до нелинейного фокуса для маломощных пучков.
С ростом мощности модуляционная неустойчивость станет основным механизмом формирования филаментов (например, для 2 = 4.6 · 10−15 см−2/3 это имеет местопри > 20 ). Начиная с ≈ 100 и более, модуляционная неустойчивость должна приводить к сокращению расстояния до нелинейного фокуса по сравнению с регулярной средой.Экспериментальное влияние сильной турбулентности на процесс филаментации было исследовано в [91]. Энергия импульса составляла 10 мДж, длительность — 80 фс, что соответствовало пиковой мощности порядка 20 критических. Управление турбулентностью проводилось путем введения в лазерный луч потока горячего воздуха перпендикулярно пучку наразном расстоянии от выхода лазерной системы.
Было показано, что сильная турбулентность(2 = 10−9 см−2/3 ) приводит к укорочению расстояния до нелинейного фокуса и увеличениючисла филаментов. Кроме того, был сделан вывод, что влияние турбулентности сильнее наначальном этапе распространения (до формирования филаментов).В [92] было проведено несколько серий вычислительных экспериментов, в которых рассматривалось распространение сфокусированного фазово-модулированного импульса с энергией 200 мДж в турбулентной атмосфере. Было установлено, что для импульсов пиковоймощности 10 при увеличении структурной постоянной показателя преломления 2 рас-— 13 —стояние до филамента в среднем уменьшается.
Кроме того, указывалось, что для уменьшения стандартного отклонения расстояния до начала филаментации следует использоватькак можно более острую фокусировку, ограничением на которую снизу служит как желаемоерасстояние до филамента (оно будет во всяком случае меньше, чем расстояние до фокусалинзы), так и необходимость сохранения достаточной для устойчивого образования филаментов пиковой мощности.Можно выделить две тенденции при формировании нелинейного фокуса в условиях турбулентности. При относительно низкой пиковой мощности излучения расстояние до стартафиламента увеличивается вследствие частичной потери когерентности и эффективного увеличения критической мощности для возмущенного пучка. При высокой пиковой мощности,напротив, турбулентность провоцирует распад пучка на субструктуры, которые достигаютсвоего нелинейного фокуса на меньшем расстоянии.Таким образом, интерес представляет исследование вопроса о вероятности образованияфиламента в зависимости от параметров пучка и турбулентности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
