principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 104
Текст из файла (страница 104)
Аатокоррелкционвые функции: а — импульса на входе, С вЂ” сжатого импульса после первой ступени оптического компрессора, в — сжатого импульса после второй ступени оптического компрессора [ЗЦ частотная модуляция оказывается практически линейной, как показано на рис. 26ЛОв и г. Проходя через соответствующим образом подобранную дисперсионную линию задержки, такой импульс может быть сильно. сжат, причем более 90св энергии импульса будут сосредоточены в уаком пике.
Такая качественная картина хорошо согласуется с результатами численного решения уравнения (26Л8). Эксперименты подтвердили высокую эффективность этого метода сжатия импульсов. В первых опытах пикосекундные импульсы длительностью 5 пс и мощностью 10 Вт после прохождения через 70-метровое кварцевое волокно и дисперсионную линию задержки сжимались до 1,5 пс [24]. В других экспериментах импульсы дли- 492 тельностью 90 фс и мощностью 7 кВт сжимались до 30 фс при использовании 15-сантиметрового кварцевого волокна [29), а импульсы длительностью 5,4 пс и мощностью 1 кВт сжимались до 450 фс при помощи 30-метрового волокна [30[. При использовании двух ступеней сжатия было достигнуто сжатие импульса в 65 раз [ЗЦ. Схема последнего экспермента приведена на рис. 26.11.
Системы, состоящие из решетки и призмы, служили в качестве дисперсионных линий задержки. На первом этапе импульсы лазера на красителе длительностью 5,9 пс и мощностью 2 кВт сжимались до 200 фс при выходной мощности 20 кВт. На втором этапе импульсы сжимались до длительности 90 фс и имели мощность 10 кВт.
Намеренные автокорреляционные функции исходных и сжатых импульсов приведены на рис. 26 12. Несомненными преимуществами этой схемы сжатия импульсов являются относительная простота и возможность применения для сжатия перестраиваемых пикосекундных импульсов, генерируемых лазерами на красителях. Можно ожидать, что она окажется весьма полезной при освоении фемтосекундного диапазона длительностей. Глава 27 ОПТИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ Под оптическим пробоем мы будем здесь понимать катастрофическое развитие повреждения, вызванного в прозрачной среде сильным лааерным полем.
Причиной оптического пробоя является лавинная ионизация. Этот процесс существенно отличается от вндуцированного лазером теплового пробоя, обусловленного непосредственным нагревом среды лазерным иэлучением. Процесс оптического пробоя играет принципиальную роль в технике мощных лаэерных пучков, поскольку он определяет предельную мощность излучения, которую можно пропустить череэ среду. Вообще говоря, оптический пробой является следствием быстрого вложения энергии в среду с помощью лаэера.
Очень сильное оптическое возбуждение с последующим сложным процессом обраэования плаэмы при лавинной иониэации сильно эатрудняют строгое теоретическое решение задачи. В этой главе мы, по существу, ограничимся лишь кратким введением в существо проблемы с упором на фиаику явления. 27Л Общее описание Лаэерное поле с напряженностью, приближающейся к кулоновскому полю внутри атома, способно оторвать от атома валентные электроны. Мы уже видели в разделе 22.5, что в лазерном поле с интенсивностью 10" Вт/см' и выше может легко происходить многофотонная ионизация практически всех атомов н молекул. Однако в атом процессе участвуют отдельные атомы или молекулы, и иониэация одного атома не оказывает влияния на иониэацию остальных атомов. Так происходит, когда давление газа мало (т.
е. <10 э Торр), а лазерный импульс имеет малую длительность (<10 э с) по сравнению с временем между столкновениями атомов (~10 е с). Кроме того, средняя длина свободного пробега электронов (>10 см) должна быть намного больше размера фокального объема (размер фокального пятна <10 э см), чтобы можно было пренебречь вторичными эффектами ионнэации при столкновениях электронов с атомами. При этих условиях многофотонная иониэация является единственным механизмом ионна ации гаэовой среды.
Оптический же пробой является процессом иониэации, протекающим в сравнительно плотной гаэовой или конденсированной среде, с последующим образованием плазмы. Этот процесс часто 494 происходит при фокусировке в среде излучения лазера с модулированной добротностью с энергией импульса ~0,1 — 1 Дж. Это явление было открыто в 1962 г. сразу после изобретения лазера [1) и с тех пор привлекало внимание многих исследователей в связи с важной ролью, которую оно играет при использовании мощных лазеров. Возникновение оптического пробоя обычно сопровождается видимой глазом вспышкой или искрой, связанной с образованием в среде плаамы. В газах искра может иметь большую протяженность.
Группой советских исследователей наблюдалась рекордная искра длиной 60 и, получавшаяся при слабой фокусировке в воздухе излучения импульса лазера на стекле с неодимом с энергией 160 Дж [2]. В конденсированных средах образование плазмы обычно приводит к появлению области повреждения (или серии таких областей) в случае твердого тела или к образованию пузырька (или нескольких пузырьков) в случае жидкости.
Образование плазмы при оптическом пробое является следствием возникновения электронной лавины. Она начинается от небольшого числа «затравочных» свободных электронов (или квазисвободных электронов в случае твердого тела). Эти электроны либо изначально имеются, либо генерируются в процессе лазерно-индуцированной (многофотонной) ионизации.
Ионизация посредством электронной лавины может развиться в том случае, когда электроны набирают энергию, взаимодействуя с лазерным полем. Если электрон набирает энергию, достаточную для ударной ионизации атома, повторение этого процесса может привести к быстрому размножению электронов. Из законов сохранения импульса и энергии следует, что электрон может поглотить фотон из лазерного поля только в том случае, когда он сталкивается с атомом или ионом.
Этот процесс является в точности противоположным по отношению к процессу тормозного излучения и получил название обратнотормовного эффекта [3[. Ясно, что подобный процесс будет эффективным только в сравнительно плотной среде, в которой электроны испытывают частые столкновения с атомами. Благодаря обратнотормозному эффекту электроны могут поглощать один фотон за другим и набрать энергию, достаточную для ударной ионизации атомов.
Вслед за этим развивается каскадная ионизация или электронная лавина, приводящая к образованию плазмы [3). Как только уровень ионизации становится заметным, падающий свет начинает поглощаться электрояами яа свободно-свободных переходах в континууме в поле ионов. Последнее вызывает интенсивный разогрев электронной плазмы с последующим быстрым гидродинамическим ее расширением в виде ударной волны [4). Конечным результатом этого процесса оказывается образование искры в случае газа или видимого повреждения в случае конденсированной среды. Во многих отношениях оптический пробой подобен пробою в постоянном электрическом или СВЧ поле [5[. В обоих случаях пробой вызывается электронной лавиной, индуцированной полем, хотя источник получения начальных электронов и детальная 495 динамика у этих двух процессов различны.
В то же время оптический пробой принципиально отличается от лаэерно-индуцированного теплового пробоя. В последнем случае среда поглощает энергию .из лазерного пучка и быстро превращает ее в тепло. Реэультирующий рост температуры может затем вызвать ударную иониэацию газа и в конце концов привести к образованию плазмы. В твердом теле лаэерный нагрев может вызвать плавление, которое лежит в основе процесса лазерного отжига. При дальнейшем перегреве .может начаться испарение вещества. На поверхности твердого тела может образоваться плотная плазма, что приводит к появлению своего рода «шаровой молнии», испускающей видимое, ультрафио.летовое и даже рентгеновское излучение (6). Лазерно-индуцированный тепловой пробой играет важную роль в лаэерной физике и технологии, но выходит за рамки рассматриваемой в данной главе проблемы. Здесь мы ограничимся рассмотрением только оптического пробоя.
Оптический пробой в газах и конденсированных средах имеет .много общего. С теоретической точки зрения в обоих случаях пробой вызывается ионизацией посредством электронной лавины и свяэан с поглощением более одного (иногда многих) фотона на каждый рожденный электрон. С экспериментальной точки зрения также. имеются общие проблемы.
В обоих случаях в первых экспериментах воэникли большие трудности в определении воспроиэво,димых порогов пробоя в различных веществах. Эта невоспроизводимость была выэвана следующими факторами. Во-первых, поскольку оптический пробой является сильно нелинейным эффектом, отчетливо проявляется реэкая зависимость измеряемого порога пробоя от флуктуаций интенсивности лаэера. Чтобы получить воспро.иэводимые результаты, следует испольэовать одномодовые (с одной поперечной и продольной модой) лазеры. Во-вторых, порог пробоя может быть сильно снижен, если в прозрачной среде имеются поглощающие частицы или примеси с низкой энергией иониэации, поскольку в этом случае именно они являются источником первич-ных электронов в процессе лавинной ионизации. Только в чистых веществах можно надеяться экспериментально определить истинный порог пробоя.
В-третьих, к неконтролируемым изменениям измеряемого порога пробоя приводит самофокусировка (гл. 17) лаэерного пучка. В условиях самофокусировки иэмеряемый порог пробоя оказывается гораздо ниже истинного, поэтому при измерении последнего важно набегать воэникновения самофокусировки. Вместе с тем свойства гаэов и твердых тел сильно отличаются, поэтому они должны иметь существенно раэличные характеристики пробоя.
В следующих разделах мы рассмотрим оптический пробой .в газах и твердых телах в отдельности. Мы не будем рассматривать оптический пробой в жидкостях, поскольку о нем мало что иэвестно. Представленный здесь материал взят из обзорных статей, .перечисленных в списке литературы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
