Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозоле

• Автор: Силаева, Елена Петровна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Аннотация
Численно исследовано влияние когерентного рассеяния лазерного излучения на ансамбле частиц водного аэрозоля на филаментацию мощного фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере.
Рассмотрена устойчивость фемтосекундного лазерного филамента и перенос им энергии высокой плотности при распространении мощного фемтосекундного лазерного импульса через плотный слой атмосферного аэрозоля.
Показано, что модуляционная неустойчивость мощного светового поля, которая развивается на возмущениях, возникающих при многократном когерентном рассеянии на частицах, является причиной стохастического распада фемтосекундного импульса на множество филаментов. Получена динамическая картина развития множественной филаментации и формирования плазменных каналов в условиях аэрозольного рассеяния. Методом Монте-Карло проведен статистический анализ влияния оптической толщи водного аэрозоля на зарождение филаментов в лазерном импульсе, определены области различных режимов филаментации. Показано, что характер множественной филаментации зависит от конкуренции двух факторов, связанных с рассеянием в аэрозоле: возникновения возмущений светового поля, вызывающих зарождение
случайного множества филаментов, и ослабления мощности излучения.
Проведено сравнение динамических сценариев развития множества филаментов, вызванного турбулентными флуктуациями показателя преломления, рассеянием на частицах аэрозоля и совместным их влиянием. Методом Монте-Карло определено расстояние в среднем до старта множественной филаментации при различных условиях на атмосферной трассе.
Показано, что замена дисперсной среды сплошной с тем же коэффициентом ослабления применима только в условиях, при которых в процессе филаментации доминирует ослабление энергии при рассеянии на частицах аэрозоля и формируется один филамент.
Исследование выполнено методами численного эксперимента на основе стратифицированной модели случайно-неоднородной среды. В модели аэродисперсная турбулентная атмосфера представлена последовательностью слоев, в которых частицы сосредоточены в тонких аэрозольных экранах, а случайные флуктуации показателя преломления описываются турбулентными фазовыми экранами.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Состояние исследований по филаментации мощного фемтосекундного
лазерного импульса в атмосфере
§ 1. Филаментация мощного фемтосекундного лазерного импульса в воздухе
1.1 Физическая картина
1.2 Теоретические модели
§2. Филаментация фемтосекундного импульса в атмосфере
2.1 Особенности филаментации мощного фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере
2.2 Натурные эксперименты по филаментации в атмосфере
2.3 Влияние атмосферной турбулентности на филаментацию мощного фемтосекундного лазерного импульса
§3. Филаментация в аэрозоле
3.1 Фемтосекундное лазерное зондирование аэрозоля
3.2 Отдельные частицы в филаменте
3.3 Ослабление импульса в аэрозоле
3.4 Рассеяние на частицах. Мотивация работы
ГЛАВА 2. Модель филаментации мощного фемтосекундого лазерного импульса в
атмосфере
§4. Физические факторы, определяющие распространение мощного фемтосекундного
лазерного импульса в атмосфере
4.1 Параметры атмосферного аэрозоля
4.2 Параметры атмосферной турбулентности
§5. Обобщенная стратифицированная модель филаментации лазерного импульса в
аэрозоле и в условиях атмосферной турбулентности
5.1 Физика задачи о филаментации импульса
5.2 Концепция стратификации
5.3 Схема расщепления
5.4 Нелинейная рефракция
5.5 Турбулентный экран
5.6 Дифракция
§6. Рассеяние и «аэрозольный» экран
§7. Масштабы задачи и расчетная сетка
§8. Ослабление лазерного пучка при рассеянии в монодисперсной среде
§9. Корреляция флуктуаций излучения в дисперсной среде
§ 10. Выводы к главе

ГЛАВА 3. Распространение филамента фемтосекундного лазерного импульса через
слой плотного аэрозоля
§11. Восстановление моды филамента после рассеяния в аэрозоле
§12. Перенос фемтосекундным филаментом энергии высокой плотности через
аэрозоль
§13. Рефокусировка фемтосекундного лазерного импульса в слое аэрозоля
§14. Потери энергии фемтосекундного лазерного импульса в слое плотного аэрозоля
§15. Выводы к главе
ГЛАВА 4. Множественная филаментация мощного фемтосекундного лазерного
импульса в аэрозоле
§16. Физическая картина ф)иламентации лазерного импульса в плотном и разреженном
аэрозоле. Плотность энергии и плазменные каналы при множественной
филаментации лазерного импульса
§ 17. Статистический анализ режимов филаментации при различных параметрах
аэрозольной среды и импульса
§ 18. Критерии подобия задачи о филаментации мощного фемтосекундного лазерного
импульса в аэрозоле
§19. К вопросу об эквивалентности дисперсной и сплошной сред равной оптической
толщи в задаче о филаментации лазерного импульса
§20. Выводы к главе
ГЛАВА 5. Множественная филаментация в ту рбулентной среде атмосферного
аэрозоля
§21. Качественная картина развития множественной филаментации при флуктуациях
светового поля, инициированных турбулентностью и рассеянием в аэрозоле
§22. Статистический анализ влияния рассеяния в аэрозоле на расстояние до старта
множественной филаментации в турбулентной атмосфере
§23. Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

определяется выражением:

«о = N |о'С/фОфЛ , (2.7)

где а(Л) - эффективное сечение рассеяния для одной частицы.
Ослабление плоской волны в дисперсной среде определяется законом Бугера [111]. Согласно ему интенсивность 1{г) при рассеянии убывает по экспоненциальному закону:
/(*) = /0ехр {-!■}. (2.8)
где 1() — начальная интенсивность, т - оптическая толща дисперсной среды на расстоянии 2'.
т = а0г. (2.9)
Коэффициент ослабления, рассчитанный по формуле (2.7), например, для облака С1, составляет схо» 16.4 км'1 для измерения на длине волны X = 0.8 мкм.
При распространении лазерного пучка радиусом 1-И0 см через типичную атмосферную облачность количество частиц, приходящееся на его радиус, составляет порядка 103-ь106 на 1 метр длины. На размер же филамента (-100 мкм) приходится всего несколько частиц на той же длине. Приведенные оценки говорят о том, что влияние атмосферного аэрозоля на сформировавшийся филамент может оказаться
незначительным, но в то же время взаимодействие лазерного излучения с частицами в начале трассы распространения может существенно сказываться на процессе зарождения филаментов в пучке.
Что касается изменения оптических параметров воздушной среды в присутствии атмосферного аэрозоля, то согласно оценкам, относительный объем водных частиц при их концентрации N=: 100-ь 1000 см'3, что превышает типичное значение для атмосферной облачности, составляет всего лишь около 0.001% от объема воздуха,. При столь малом объеме капель можно пренебречь вкладом водной составляющей аэрозоля в значение коэффициента нелинейного показателя преломления «2, характеризующего керровское взаимодействие. Эта оценка также подтверждает выше сформулированное положение о неприменимости диффузионного приближения и теории переноса в данной задаче, т.к. они верны для описания рассеяния в плотных дисперсных средах с объемом частиц - 10% от всей среды.
Кроме этого, суммарный вклад электронов, генерируемых в частицах аэрозоля, не существенен для плазменных каналов филаментов. Действительно, при достаточно большой концентрации аэрозоля И= 1000 см'3 на 10 см длины филамента приходится в