Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах

• Автор: Косарева, Ольга Григорьевна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 233 с. : ил.

Содержание
Введение

Состояние исследований и настоящая работа

Защищаемые положения

1. Явление филаментации фемтосекундного излучения и его приложения

§1.1. Физическая картина филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов..

§1.2. Множественная фи ламентация

§1.3. Современное состояние экспериментальных исследований филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов
1.3.1. Формирование протяженных филаментов, уширение спектра и генерация лазерной плазмы в них

1.3.2. Исследования множественной филаментации

1.3.3. Филаментация в конденсированных средах

1.3.4. Самокомпрессия импульсов в фемтосекундном филаменте
1.3.5. Терагерцовое и радиочастотного излучение плазменных каналов филаментов
1.3.6. Нелинейная оптика филаментов
1.3.7. Приложения филаментации. Методы управления филаментацией
§1.4. Теоретическое исследование филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов
1.4.1. Модели филаментации
1.4.2. Проблемы компьютерного моделирования множественной филаментации
2. Нелинейно-оптическая модель филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения
§2.1. Керровская нелинейность
§2.2. Фотоионизация и нелинейность самонаведенной лазерной плазмы
§2.3. Материальная дисперсия и дифракция и импульса
§2.4. Математическая модель
§2.5. Численная схема
3. Распространение импульса в режиме одного филамснта в газах и конденсированной среде
§3.1. Динамическая модель движущихся фокусов в условиях ионизации среды
§3.2. Явление рефокусировки и резервуар энергии при филаментации
§3.3. Сфокусированный пучок в конденсированной среде
§3.4. Выводы по Главе
4. Множественная филаментация
§4.1. Сценарий множественной филаментации мощных фемтосекундных лазерных
импульсов
§4.2. Нестабильность множественной филаментации
§4.3. Плазменные каналы множества филаментов
§4.4. Выводы по Главе
5. Суперконтинуум и коническая эмиссия
§5.1. Сверхуширение частотно-углового спектра импульса при филаментации
§5.2. Физическая модель суперконтинуума и конической эмиссии
§5.3. Частотно-угловой спектр излучения суперконтинуума при множественной
филаментации
§5.4. Выводы по Главе
6. Управление филаментацией
§6.1. Масштабирование начального пучка
§6.2. Фазовая модуляция как средство управления филаментацией
§6.3. Регуляризация множественной филаментации
§6.4. Выводы по Главе

7. Компрессия импульса при филаментации в воздухе и инертных газах
§7.1. Частотный спектр и компрессия импульса
§7.2. Формирование спектрально-ограниченного сжатого импульса
§7.3. Оптимизация компрессии импульса в газах
§7.4. Выводы по Главе
8. Нелинейные поляризационные эффекты в филаменте
§8.1. Векторная модель распространения фемтосекундного излучения и кроссвзаимодействия в филаменте
§8.2. Устойчивость циркулярной и линейной поляризации в филаменте
§8.3. Двулучепреломление в филаменте
§8.4. Выводы по Главе
Публикации автора по теме диссертации
Литература
Заключение
Благодарности

Введение
Состояние исследований и настоящая работа
Явление филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов состоит в локализации энергии лазерного излучения в тонкой нити филамента под действием самофокусировки в среде и нелинейности в самонаведенной лазерной плазме, ограничивающей коллапс пучка. Филамент является тонким и протяженным, его длина (длина области, где интенсивность достаточна для ионизации среды) много больше его дифракционной длины. Например, в воздухе длина филаментов достигает нескольких метров и более, а диаметр — порядка 100 мкм. Филаментация наблюдается в газообразных, жидких и твердых прозрачных диэлектриках и сопровождается формированием плазменных каналов, сверхуширением частотного и углового спектров импульса, генерацией терагерцового излучения, компрессией импульса и другими нелинейно-оптическими эффектами.
Самофокусировка излучения является основной физической причиной формирования протяженных световых нитей — филаментов. Явление самофокусировки электромагнитных волн в общей форме было предсказано в 1962 году в Москве в Физическом институте Академии Наук Г.А. Аскарьяном [1]. В статье, посвященной этому явлению, он писал: «Воздействие луча на среду может быть настолько сильным, что создается перепад свойств среды в луче и вне луча, что вызовет волноводное распространение луча и устранит геометрическую и дифракционную расходимость. Это интересное явление можно назвать самофокусировкой электромагнитного луча». Первое достаточно общее теоретическое объяснение этого явления появились в 1963 году в работах В.И. Таланова и С.Н. Townes с сотрудниками [2,3]. В 1965 году Н.Ф. Пилипецким и С.Р. Рустамовым самофокусировка впервые зарегистрирована в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова [4].
Первые расчеты самофокусировки пучков были проведены В.И. Талановым [2] и P.L. Kelley [5]. В дальнейшем С.А. Ахмановьм, А.П. Сухоруковым и Р.В. Хохловьм была развита теория стационарной самофокусировки и найдено аналитическое решение параболического уравнения для медленно меняющихся амплитуд в безаберрационном приближении [6]. Развитая теория была расширена на случай нестационарной самофокусировки в средах с керровской и тепловой нелинейностями [6]. Уникальные наблюдения нестационарной самофокусировки выполнены А.М. Прохоровым и В.В. Коробкиным [7], М.Т. Loy и Y.R. Shen [8]. Самофокусировка мощного пикосекундного лазерного импульса в воздухе на расстоянии 25 м от выхода из лазерной системы было

короткий импульс, а дифракция прошедшего диафрагму узкого пучка приводит к быстрому уменьшению его интенсивности (это важно, чтобы не повредить фотоприемные устройства). При перемещении диафрагмы вдоль кюветы удалось наблюдать последовательное уменьшение длительности импульса. Минимальная длительность при использовании диафрагмы диаметром 700 мкм составила 17 фс, диаметром 300 мкм — 8 фс.
Аргон является весьма удобной средой с точки зрения самосжатия импульса в филаменте. Однако самокомпрессия наблюдается не только в нем. Так в [145] наблюдалось самосжатие импульса титан-сапфирового лазера при филаментации в газообразном гексафториде серы (ЭТб), в [146] — в стекле ВК8.
Таким образом, исследование самосжатия импульсов в различных средах при филаментации мощных фемтосекундных импульсов в них является актуальной тематикой. В настоящей диссертации будут представлены результаты по самокомпрессии импульсов с при филаментации в аргоне в Главе 7.
1.3.5. Терагерцовое и радиочастотного излучение плазменных каналов филаментов
При филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов в газе с давлением ~1 атм. образуется плазменный канал протяженностью 1 см и более с плотностью свободных электронов Ые~ 1016 см"3 [27,87,91], которой соответствует плазменная частота
сор = ^пе2Ме/те , лежащая в терагерцовом диапазоне (е, те — заряд и масса электрона соответственно). Поэтому после прохождения импульса плазменный канал осциллирует и излучает с частотой, близкой к сор, т.е. плазменный канал фемтосекундного филамета является источником терагерцового излучения.
Теоретические исследования [147, 148] показали возможность генерации терарерцового излучения, направленного перпендикулярно оси распространения лазерного излучения. Такое излучение экспериментально наблюдалось в [149], однако имеется компонента, направленная преимущественно вперед. Ее энергия на примерно два порядка превышает энергию терагерцового излучения, распространяющегося перпендикулярно филаменту. В дальнейшем большинство исследованию были посвящены терагерцовой эмиссии, направленной вперед.
Общепринятой теории этого явления на настоящей момент не существует. В модели [150] спектр терагерцового излучения определен, исходя из продольных осцилляций электронной плотности в плазменном канале а, его угловое распределение найдено согласно теории черенковского излучения движущегося со сверхсветовой в среде скоростью фронта