Стратифицированная модель рассеяния лазерного излучения в дисперсной среде и филаментация фемтосекундного импульса в атмосферном аэрозоле

• Автор: Милицин, Владимир Олегович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Аннотация
Предложена и развита стратифицированная модель когерентного рассеяния мощного лазерного излучения на ансамбле частиц водного аэрозоля, ориентированная на задачи фемтосекундной нелинейной оптики. Модель основывается на представлении аэрозольной среды в виде последовательности слоев, в которых частицы сосредоточены в тонких аэрозольных экранах. Проведены сравнения результатов, полученных с помощью построенной модели, с законом Бугера для мелкодисперсных сред. Показана возможность зарождения множества филаментов на возмущениях интенсивности мощного фемтосекундного лазерного излучения в аэрозольной среде.
Численно исследовано влияние когерентного рассеяния в атмосферной облачности и на каплях дождя на зарождение множества филаментов в импульсе субтераваттной мощности. Демонстрируется качественное совпадение результата моделирования с данными натурного эксперимента. По результатам спектрального анализа распределения интенсивности в пучке исследовано влияние концентрации аэрозоля и мощности излучения на размеры областей формирования филаментов и режим их возникновения.
Методом Монте-Карло исследована нелинейная задача многофиламентации фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что модуляционная неустойчивость мощного светового поля, которая развивается на возмущениях, возникающих при когерентном рассеянии на частицах, является причиной стохастического распада импульса на множество филаментов. Получена статистическая оценка влияния размеров и концентрации частиц водного аэрозоля на зарождение филаментации в лазерном импульсе, определены области различных режимов филаментации. Получена динамическая картина развития множественной филаментации и формирования плазменных каналов вследствие многофотонной ионизации в условиях аэрозольного рассеяния.
В приближении геометрической оптики рассмотрена динамика пространственного распределения интенсивности светового поля и концентрации электронов лазерной плазмы внутри водной капли при воздействии фемтосекундного лазерного импульса. Анализ выполнен методом лучевых траекторий с учетом отражения от задней поверхности капли и интерференции лучей при аберрационной фокусировке излучения. Полученные распределения интенсивности излучения в капле диаметром более 20 мкм количественно близки к вычисленным по теории Лоренца-Ми. Показано, что при падении импульса титан-сапфирового (ТпБаррІїіге) лазера длительностью 45 фс и пиковой мощностью 10й Вт/см2, в капле возникает оптический пробой.
ГЛАВА 1. Состояние исследований по распространению фемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле

§1.1 Фемтосекундная нелинейная оптика атмосферы

1.1.1 Временные масштабы

1.1.2 Явление филаментации

1.1.3 Натурные эксперименты по филаментации в атмосфере

1.1.4 Теоретические модели

§ 1.2 Взаимодействие мощного фемтосекундного лазерного импульса с отдельной аэрозольной частицей
1.2.1 Световое поле в частице
1.2.2 Фемтосекундное лазерное зондирование аэрозоля
1.2.3 Влияние частиц на филамент
§1.3 Мощный фемтосекундный лазерный импульс в аэрозоле
1.3.1 Ослабление импульса в аэрозоле
1.3.2 Рассеяние на частицах, хаотизация
ГЛАВА 2. Геометрооптический анализ поля внутри частицы
§2.1 Физическая модель распространения светового поля внутри сферической водной
частицы
§2.2 Метод лучевых траекторий и численная схема
§2.3 Динамика поля внутри частицы;
§2.4 Формирование плазмы
§2.5 Оценка диаграммы направленности излучения плазмы
§2.6 Выводы к главе
ГЛАВА 3. Стратифицированная модель рассеяния лазерного излучения
§3.1 Физическое обоснование модели
§3.2 Концепция стратифицированной модели рассеяния лазерного излучения
§3.3 Компьютерная реализация стратифицированной модели
§3.4 “Аэрозольный” экран
3.4.1 Приближение аномальной дифракции
3.4.2 Расчет поля рассеянного частицей
3.4.3 Интерференция волн в аэрозольном экране
3.4.4 Параметры аэрозольного экрана
§3.5 Применимость стратифицированной модели рассеяния
§3.6 Алгоритм и численная схема
§3.7 Когерентное рассеяние на аэрозольном экране
§3.8 Выводы к главе

ГЛАВА 4. Анализ н апробация стратифицированной модели
§4.1 Ослабление лазерного пучка при рассеянии в монодисперсной среде
§4.2 Сравнение с корпускулярным подходом
4.2.1 Корпускулярный метод Монте-Карло
4.2.2 Аппроксимация функции рассеяния
4.2.3 Профиль пучка в моподисперсном аэрозоле
4.2.4 Влияние размеров частиц и функций рассеяния
4.2.5 Результаты сравнения
§4.3 Сходимость метода Монте-Карло
4.3.1 Влияние параметров аэрозоля
4.3.2 Влияние параметров модели
§4.4 Когерентное рассеяние в полидисперсном аэрозоле
§4.5 Выводы к главе
ГЛАВА 5. Зарождение филаментов в атмосферном аэрозоле
§5.1 Нелинейное оптическое взаимодействие фемтосекундного импульса с
аэродисперсной средой
§5.2 Нелинейный керровский экран
§5.3 Стационарная модель зарождения филаментов
5.3.1 Отдел ьная части ца
5.3.2 Монодисперсная среда
5.3.3 Полидисперсный аэрозоль
§5.4 Статистические характеристики начальной стадии филаментации
§5.5 Влияние оптической толщи и размера частиц
§5.6 Зарождение филаментации в мелком дожде
5.6.1 Результаты численных экспериментов
5.6.2 Пространственный спектр лазерного излучения на начальной стадии филаментации в дожде
§5.7 Выводы к главе
ГЛАВА 6. Филаментации в атмосферном аэрозоле
§6.1 Нелинейный плазменный экран
§6.2 Образование плазменных каналов в аэрозоле
§6.3 Плотность потока энергии излучения
§6.4 Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

§3.4 “Аэрозольный” экран
Аэрозольный экран в аэродисперсной среде, можно представить как амплитуднофазовую модуляцию, накладываемую на исходное поле, чтобы реализовать решение уравнения для аэрозольного рассеяния (3.7). Выписать в общем виде оператор Оаег,
опиеывающий конструктивно преобразование поля вследствие когерентного рассеяния на частицах экрана, не представляется возможным. Для построения такого преобразования рассмотрим физический принцип аэрозольного экрана.
Экран имеет конечную толщину и состоит из двух параллельных друг другу плоскостей, отстоящих на расстоянии с1г (Рис. 3.3). На первой плоскости задается ансамбль аэрозольных частиц, на которых рассеивается поле; на второй - рассчитывается интерференция рассеянного излучения с невозмущенным полем. Рассеяние на различных частицах в пределах одного аэрозольного экрана происходит независимо.
Для построения экрана, имитирующего рассеяние световой волны на частицах аэрозоля, необходимо рассмотреть задачу о рассеянии излучения на одной капле. При определении поля рассеянного каждой р-ой частицей используется соответствующая ей амплитудная функция А1р>(г), которая представляет собой относительную величину рассеянного поля на второй плоскости аэрозольного экрана, где г - локальный вектор, лежащий во второй плоскости, с началом на оси параллельной г и проходящей через центр частицы. Полагая падающее на каплю поле в пределах её апертуры постоянным Ер), рассеянная р-ой частицей компонента поля во второй плоскости вычисляется как произведение
Е1г)(г) = Е{0г)А(р)(г) (3.9)
При этом все величины являются комплексными, т.е. содержат информацию, как об амплитуде, так и о фазе волны, что необходимо для описания интерференции расееянного
Рис. 3.3. Принципиальная схема аэрозольного экрана.