Формирование конической эмиссии суперконтинуума и упорядоченного множества филаментов мощными фемтосекундными лазерными импульсами (1105137), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Такой характер зависимости связан сэнергетической конкуренцией неоднородностей в сечении пучка в процессеслияния их в один нелинейный фокус.(1)14В Разделе 4.2 численно исследован метод пространственной регуляризациимножества филаментов в ограниченном лазерном пучке методом введенияпериодической амплитудной модуляции посредством сеточного транспаранта.Получено, что при стохастической филаментации импульса со случайнымивозмущениями интенсивности среднее число филаментов монотонновозрастает с расстоянием, при «периодической» — филаменты зарождаютсягруппами, сначала в приосевой области пучка, затем в области, охватывающейприосевую область и т.д.

В режиме регуляризации происходит значительноеподавление вклада хаотических возмущений, и зарождение филаментов всреднем близко к групповому (рис. 7). Для пространственной регуляризациифиламентов необходимо, чтобы модуляционная неустойчивость навозмущениях, создаваемых сеточным транспарантом, развивалась на меньшемрасстоянии, чем на хаотических возмущениях светового поля.В Разделе 4.3 определены оптимальные параметры амплитудной модуляции,при которых пространственная регуляризация филаментов становится наиболееэффективной. Установлено, что независимо от пиковой интенсивностиимпульса регуляризация филаментов с помощью сеточного транспарантанаиболее эффективна, если на ее ячейку приходится мощность Punit , равная(3.1  3.2) Pcr . В этом случае расстояние до старта регулярных филаментовdoptминимально(рис.

8).Отсюдадляоптимальногопериодарегуляризирующей сетки, инициирующей по одному филаменту в ячейке,следует оценка:dopt  1.76  1.79 Pcr I 0 .< Nf >z f k0 a02периодическаяф-ция32(7)0.008I 0  10 ТВт  см 22 = 0.0012 = 0.012 = 0.0324160.006регуляризированнаяф-циястохастическаяф-ция8120150180210I  2I 00.0020900.004z k0 a02Рис. 7.Зависимостьсреднегочислафиламентов от расстояния z при различныхзначенияхдисперсииσслучайныхвозмущений (размер ячейки сеточноготранспаранта d  0.2 a 0 ).0.000I  4I 0023.15 46Punit PcrРис. 8. Расстояния zf до образования первогофиламента в пучке прошедшем черезсеточный транспарант в зависимости отмощности Punit , содержащейся в ячейке сетки,при изменении её размера d при различныхзначения пиковой интенсивности пучка I 0 .15Показано, что изменением контраста сеточного транспаранта возможноуправлять стартом филаментации, и получать, в частности, одновременноеформирование множества упорядоченных филаментов в импульсе сослучайными возмущениями интенсивности.В Разделе 4.4 сформулированы основные выводы по четвертой главе.В Главе 5 «Множество плазменных каналов как направляющая системаСВЧ излучения» рассмотрена возможность создания виртуальнойнаправляющей системы из пучка плазменных каналов филаментов мощныхфемтосекундных лазерных импульсов для передачи сверхвысокочастотного(СВЧ) излучения в воздухе.

Рассчитаны эффективная проводимость и глубинаскин-слоя лазерной плазмы филаментов для СВЧ диапазона. Предложеныоптимальные пространственные конфигурации плазменных каналов,соответствующие однопроводной линии передачи и полому цилиндрическомуволноводу. Получены оценки энергетических потерь СВЧ излучения вплазменных волноводах различных конфигураций.В Разделе 5.1 дана общая концепция представления плазменных каналов,формируемых при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов ввоздухе, как основы для виртуальной направляющей линии передачиэлектромагнитной энергии. Фемтосекундный лазерный импульс, например, скольцевым распределением интенсивности в поперечном сечении,распространяясь в воздухе, оставляет за собой полый плазменный цилиндр, вкоторый может быть введено СВЧ излучение.

Положение переднего краяплазменного волновода определяется скоростью лазерного импульса, а заднегокрая — процессом рекомбинации плазмы. СВЧ импульс, групповая скоростькоторого незначительно отличается от групповой скорости лазерного импульса,остается внутри виртуального волновода на протяжении сотен метров, ирекомбинация плазмы на хвосте волновода не влияет на его распространение.В Разделе 5.2 оценены проводимость и скин-слой плазменных каналов дляпараметров СВЧ излучения. Высокая проводимость в виртуальной линии,характерный размер поперечного сечения которой превышает толщину скинслоя, достигается при плотном расположении плазменных каналов, расстояниемежду которыми должно быть много меньше длины волны СВЧ излучения.Общее число плазменных каналов в направляющей линии составляет, при этом,несколько сотен, что возможно при множественной филаметации.

Дляформирования такой плазменной системы на протяжении десятков метров,необходим фемтосекундный лазерный импульс энергией в несколько джоулей.Предложены различные конфигурации направляющих плазменных систем дляпередачи СВЧ-излучения.В Разделе 5.3 рассмотрена направляющая система в виде пологоцилиндрического плазменного волновода. Определены оптимальныеконфигурации плазменных каналов, формирующих стенки цилиндрическоговолновода. В результате численного моделирования формирования16цилиндрического плазменного волновода показано, что динамический характеробразования вторичных плазменных каналов при взаимодействии множестваплотно расположенных филаментов позволяет поддерживать высокуюэффективную концентрацию электронов и, соответственно, проводимость вплазменной направляющей системе.

Установлено, что в плазменнойнаправляющей системе с эффективной концентрацией электронов1015 1016 см3 затухание СВЧ излучения уменьшается не менее чем в 10 раз посравнению со свободным распространением. Полученные результатысогласуются с данными недавно выполненных экспериментов в институтеINRS, Канада.В Разделе 5.4 рассмотрена однопроводная плазменная линия. Предложенаодна из возможных схем согласования однопроводной плазменной линии скоаксиальной линией, с помощью которой вводится СВЧ излучение.Выполнено численное моделирование формирования плазменного шнура,соответствующего требованиям к однопроводной направляющей линии.

Причисленном моделировании формирования плазменного шнура рассматривалсяимпульс с регулярными начальными возмущениями гауссова профиля. Радиускаждого возмущения ri  100 мкм, расстояние между ними bpl  250 мкм. Накаждое возмущение в среднем приходилось около 7.5Pcr , полная энергияимпульса E  0.1 Дж.

В процессе филаментации каждое возмущение приводитк образованию плазменного канала, в результате чего вначале ( z  2  10 см)образуется шнур из пучка плазменных каналов общим диаметром около 2 мм(рис. 9).y, мм1z = 2 смz = 5 смz = 10 смN e , 1017 см 301-1y, мм1z = 15 смz = 25 смz = 30 см0.50-1001 -101 -101x, ммx, ммx, ммРис. 9. Распределение концентрации свободных электронов в поперечном сеченииплазменного шнура на различных расстояниях z.-1В дальнейшем, в результате интерференции светового поля, расходящегосяот первичных филаментов, возникают вторичные филаменты, которые17порождают вторичные плазменные каналы ( z  15 см) и общее числоплазменных каналов в пучке увеличивается.

С ростом пройденного расстоянияz картина расположения плазменных образований в шнуре продолжаетусложняться, приобретая мелкомасштабную структуру ( z  30 см). При этомсущественно, что диаметр плазменного шнура и эффективная концентрацияэлектронов сохраняется.В разделе 5.5 сформулированы основные выводы по пятой главе.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ1. Развит и апробирован метод комплексной фазы для теоретическогоисследования самофокусировки пучка в среде с кубичной нелинейностью.Комплексная фаза введена с помощью преобразования С.М. Рытова.Переход от медленно меняющейся амплитуды к комплексной фазе,реальная часть которой пропорциональна логарифму амплитуды световогополя, позволяет существенно расширить диапазон изменения амплитуды иинтенсивности в световом пучке при теоретических исследованиях.2.

При филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в прозрачнойсредечастотно-угловойспектрпретерпеваетсущественнуютрансформацию. Структура частотно-углового спектра импульса взначительной степени определяется материальной дисперсией среды. Вобласти нормальной дисперсии групповой скорости частотно-угловойспектр принимает, так называемую, Х-образную форму, в области нулевойдисперсии групповой скорости — Fish-образную, в области аномальнойдисперсии групповой скорости — О-образную форму в координатах (, ) .3. При распаде лазерного импульса на субимпульсы итоговый частотноугловой спектр является результатом суперпозиции спектров каждого изсубимпульсов.

При возникновении в среде последовательности соосныхфиламентов, вследствие многократной рефокусировки светового поля, вчастотно-угловом распределении возникает дополнительная модуляция,период которой зависит от расстояния между соседними филаментами.Данная модуляция приводит к расщеплению видимых радужных колецконической эмиссии на отдельные дискретные кольца.4. На основе интерференционного подхода построена простая модельформирования излучения конической эмиссии суперконтинуума, котораяпозволяет получить аналитическое угловое распределение спектральныхкомпонент суперконтинуума для импульсов в средах с произвольнымзаконом материальной дисперсии.

Модель обобщена на случай распадаимпульса на субимпульсы, движущиеся в среде с различными скоростями, ислучай образования последовательности соосных излучающих областей вфиламенте при рефокусировке импульса.185. Показана возможность регуляризации множественной филаментациимощных фемтосекундных лазерных импульсов посредством заданиясеточным транспарантом начальной амплитудной модуляции в поперечномсечении пучка. Установлено, что при использовании сеточноготранспаранта наибольшая эффективность подавления влияния случайныхвозмущений на зарождение филаментов достигается, если на его ячейкуприходится мощность, в (3.1÷3.2) раза превышающая критическуюмощность самофокусировки в среде.6. Исследована возможность создания виртуальной направляющей системы изпучка плазменных каналов филаментов мощных фемтосекундных лазерныхимпульсов для передачи СВЧ излучения в воздухе. Найдены оптимальныеконфигурации множества плазменных каналов для формированияцилиндрического волновода и однопроводной плазменной линии.

Вплазменной направляющей системе с эффективной концентрацией15163электронов 10  10 см затухание СВЧ излучения уменьшается не менеечем в 10 раз по сравнению со свободным распространением.СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИОсновные результаты диссертации отражены в следующих статьях:1. Кандидов В.П., Косарева О.Г., Шленов С.А., Панов Н.А., Федоров В.Ю.,Дормидонов А.Е. Динамическая мелкомасштабная самофокусировкафемтосекундного лазерного импульса в воздухе.

Квантовая электроника,35(1), 59-64 (2005).2. Kandidov V.P., Dormidonov A.E., Kosareva O.G., Akozbek N., Scalora M.,Chin S.L. Optimum small-scale management of random beam perturbations in afemtosecond laser pulse. Applied Physics B, Vol. 87(1), 29-36 (2007).3. Кандидов В.П., Дормидонов А.Е., Шлёнов С.А.: Преобразование Рытова взадаче о самофокусировке светового пучка. Письма в ЖЭТФ, 87(1), 22-27(2008).4. Kandidov V.P., Dormidonov A.E., Kosareva O.G., Chin S.L., Liu W.

Характеристики

Список файлов диссертации