Диссертация (1105134), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Также важно определитьположение старта филамента (его среднее значение и разброс) при различных параметрахизлучения и турбулентности.Важное практическое значение имеет вопрос о возможности транспортировки лазерногоизлучения высокой плотности энергии в атмосфере. Распространение излучения современных тераваттных лазерных систем происходит в режиме множественной филаментации сколичеством филаментов порядка нескольких сотен.В [93] исследовалось распространение излучения лазерной установки Alisé на длине волны 1.05 мкм в атмосфере.
Длительность импульсов варьировалась от 520 фс до 65 пс приэнергии до 26 Дж, диаметр пучка составлял 10 см. При самофокусировке профиль пучкаприобретал характерную ячеистую структуру, напоминавшую соты; образовывалось до сотни филаментов. В [36] импульсы длительностью 27 фс и энергией 1.5 Дж использовалисьдля создания кольца филаментов, плазменные каналы которых служили виртуальным полым волноводом для импульса СВЧ диапазона.
Всего в одном импульсе возникало более1000 различимых филаментов. Для оценки количества возникающих филаментов можно использовать приближенную формулу ≈ 0 / , где мощность, приходящаяся на одинфиламент, ≈ 3 ÷ 5 [94].В [95] продемонстрировано развитие модуляционной неустойчивости в импульсе при значениях внутреннего масштаба турбулентности, близких к атмосферным значениям 0 == 1–2 мм. При этом поперечный масштаб возмущений поля с наибольшим инкрементомнарастания [3] составлял Λ ≈ 2 мм. Увеличение 0 до 6 мм приводило к подавлению модуляционной неустойчивости и самофокусировке пучка как целого.В [96] исследовалась фокусировка гауссового пучка с добавленным в него шумом. Указывалось, что для малых мощностей (10 ) добавление шума практически не изменилоположение нелинейного фокуса, в то время как для мощных пучков (300 ) расстояние достарта филаментации резко сократилось.
Там же была введена характерная мощность множественной филаментации ≈ 100 , ниже которой расстояние до нелинейного фокуса— 14 — ∝ −1/2 , а для мощностей > расстояние ∝ −1 . В [97] этим двум диапазонам были поставлены в соответствие режим самофокусировки пучка как целого и режиммножественной филаментации.
Однако при моделировании шума в начальных условиях авторы использовали самый простой с точки зрения программирования способ: к начальномузначению поля в каждой точке было прибавлено случайное число, равномерно распределенное в некотором диапазоне. В результате получился шум со странным распределениемпо интенсивности и, что важнее, с радиусом корреляции, меньшим шага расчетной сеткив поперечном направлении, который имеет порядок нескольких микрометров. Ясно, что реальные масштабы шума в физических задачах, на 2–3 порядка превосходят использованный,что ставит под сомнение полученный результат.Таким образом, важно исследовать вопрос о влиянии масштабов неоднородностей на развитие самофокусировки и филаментации.Помимо турбулентных флуктуаций, неоднородности показателя преломления в атмосфере могут быть связаны с распределенным в среде аэрозолем.
Аэрозоли могут состоять изкапелек жидкости (туманы) или из твердых частиц (дымы и пыль). Размеры частиц в аэрозолях может составлять от нескольких миллиметров до микрометров.В [98] была выполнена серия экспериментов, когда на пути сформированного филамента помещалась капля диаметром от 50 до 95 мкм. При этом наблюдалось незначительноесокращение длины филамента, что свидетельствует о слабом влиянии отдельной капли насам филамент.
Даже когда капля была поглощающей (содержала взвесь капель чернил),длина филамента менялась незначительно. Причина подобного поведения связана с тем, чтопоглощение или рассеяние в капле излучения филамента не приводит к большим потерямэнергии в энергетическом резервуаре, окружающем филамент, поэтому после прохождениякапли филамент восстанавливается. Когда же филаментирующий импульс распространялсясквозь камеру длиной 35 см, в которой находился водный аэрозоль с частицами размеров внесколько микрометров, падение длины филаментации после камеры коррелировало с падением полной энергии направленного излучения вследствие рассеяния Ми.
Таким образом,влияние аэрозоля на филаментацию происходит косвенным образом, через энергетическийрезервуар. Этот результат был подтвержден в численном моделировании в [99]. Было обнаружено, что провал, возникающий на оси филамента вследствие поглощения излучениякаплей, быстро затягивается, и распределения энергии и линейной концентрации электроноввдоль трассы слабо меняются, независимо от положения капли.
В [100], в то же время, самовосстановление филамента после прохождения отдельной капли было увязано с релаксациейсамосфокусированного состояния с высокой мощностью к состоянию с низкой мощностью,вновь испытывающему керровскую самофокусировку. Роль резервуара в этом процессе оказывается второстепенной.В [101] в натурном эксперименте была показана устойчивость филаментов при распространении сквозь дождь. Эксперимент проводился на значительной высоте (3230 м над уровнем моря) при атмосферном давлении 0.67 атмосфер. Длина трассы достигала 150 м.
Наблюдаемые эффекты филаментации (фотографии пучка на экране) были неотличимы для— 15 —случаев распространения сквозь дождь и сквозь сухой воздух. Только в распределении энергии в резервуаре были замечены некоторые отличия в виде кольцевых структур, связанныхс дифракцией низкоинтенсивной энергии на отдельных каплях. В [102] этот результат былподтвержден при сопоставлении эксперимента и численного моделирования распространенияизлучения сквозь 10-метровый слой водного аэрозоля (размер капель около 1 мкм).В [103] было показано, что влияние аэрозоля на распространяющийся мощный лазерныйимпульс не сводится только к уменьшению его мощности. При увеличении размеров частицаэрозоля индикатриса рассеяния сужается, и перераспределение энергии при рассеянии начинает доминировать над ослаблением.
В результате в пучке развивается мелкомасштабнаясамофокусировка, что приводит к уменьшению расстояния до старта филаментации. Более подробное статистическое исследование [104] привело к оценке критического значения2 ( , — радиус и концентраоптической толщи аэрозольного слоя = 2ция частиц аэрозоля, — расстояние до старта филаментации). При < 0.2 развиваетсямножественная филаментация, при больших значениях потери энергии при прохожденииаэрозоля становятся значительными и приводят к увеличению расстояния до старта филаментации и уменьшению количества множественных филаментов.Помимо рассеяния на аэрозоле важным может оказаться эффект ослабления лазерного излучения вследствие молекулярного поглощения на трассе.
В [86] при численном исследовании филаментации излучения CO2 -лазера с длиной волны 10.6 мкм показано, чтоатмосферное поглощение искажает частотный спектр суперконтинуума и сокращает длинуплазменного канала.1.6. Взаимодействие филаментовРаспад пучка на большое количество отдельных филаментов при множественной филаментации приводит к сложному характеру их взаимодействия. В [105] сообщалось, чтораспространение импульсов высокой пиковой мощности приводило к образованию картины поверхностной плотности энергии, похожей на созвездие, — тонкие соединенные линии.Структура «созвездия» оказывалась чувствительной к начальному профилю пучка (например, оказалось возможным сформировать структуру простой заданной формы), но обнаруживала определенную устойчивость при распространении в нелинейной среде.
При изменении мощности менялось только количество филаментов, но не структура линий «созвездия».Также при взаимодействии отдельных филаментов наблюдались такие эффекты, как слияние филаментов и расщепление одного филамента на два и более. Первый эффект был увязанс наличием «силы притяжения» между филаментами при определенных фазовых соотношениях между последними, причиной второго, по мнению авторов, мог стать существенныйизбыток энергии отдельного филамента и его асимметричная форма.Исследование взаимодействия филаментов в пучке высокой мощности (порядка ТВт ивыше) затруднительно, поэтому обычно используется несколько отдельных пучков или одинпучок с искусственно сформированной в нем неоднородностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
