Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов

• Автор: Панов, Николай Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Содержание
1. Введение

§1.1. Стохастическая множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных

импульсов
§ 1,2. Современное состояние экспериментальных исследований филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов

1.2.1. Основные эксперименты по филаментациив воздухе

1.2.2. Исследования множественной филаментации

1.2.3. Филаментация в конденсированных средах

1.2.4. Приложения филаментации. Методы управления множественной филаментацией

§1.3. Проблемы теоретических исследований множественной филаментации мощных

фемтосекундных лазерных импульсов

§1.4. Цель работы
§1.5. Публикации по теме диссертации
§1.6. Защищаемые положения
2. Нелинейно-оптическая модель распространения мощного фемтосекундного лазерного импульса
§2.1. Керровская нелинейность
§2.2. Фотоионизация и нелинейность самонаведенной лазерной плазмы
§2.3. Материальная дисперсия и дифракция и импульса (линейные процессы)
§2.4. Математическая модель
§2.5. Численная схема
3. Множественная филаментация и генерация суперконтинуума мощного фемтосекундного лазерного импульса
§3.1. Эксперимент по флуоресценции молекулярного азота при филаментации в воздухе 49 §3.2. Сценарий множественной филаментации мощных фемтосекундных лазерных
импульсов
§3.3. Нестабильность множественной филаментации
§3.4. Влияние нестабильности множественной филаментации на фотоионизацию среды
§3.5. Осевая симметрия излучения суперконтинуума
§3.6. Частотно-угловой спектр излучения суперконтинуума при множественной
филаментации
§3.7. Выводы по Главе
4. Управление множественной филаментацией с помощью масштабирования пучка... 83 §4.1. Множественная филаментация стохастического пучка при изменении его диаметра
§4.2. Стабилизация процесса филаментации
§4.3. Плазменные каналы филаментов при изменении уменьшении диаметра пучка на
выходе лазерной системы
§4.4. Выводы по Главе
5. Управление множественной филаментацией с помощью начальной фазовой модуляции импульса
§5.1. Модель стохастического фемтосекундного импульса и приближения, необходимые
для анализа множественной филаментации фазомодулированного импульса в воздухе
на плазменные каналы в воздухе
§5.4. Выводы по Главе

6. Пространственное упорядочивание множества филаментов линзовым массивом
§6.1. Модель распространения мощного фемтосекундного лазерного импульса после
прохождения линзового массива
§6.2. Регуляризация в поперечном сечении импульса
§6.3. Продольная регуляризация множества филаментов. Критерий удовлетворительного
качества регуляризации
§6.4. Линзовый массив как средство образования пучка филаментов на одной длине
распространения
§6.5. Выводы по Главе
Литература

1. Введение
В настоящей Главе дан обзор основных экспериментов по филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов (в том числе и множественной) и сопровождающих ее эффектов. Рассмотрены потенциальные приложения филаментации и методы управления филаментацией. Проанализированы трудности математического моделирования множественной филаментации. Обоснована актуальность и представлена цель работы.
§1.1. Стохастическая множественная филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов
Явление филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов состоит в локализации энергии лазерного излучения, которая сохраняется па значительном расстоянии, в тонкой нити филамента под действием самофокусировки и нелинейности самонаведенной лазерной плазмы, 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 100мкм. Филаментация наблюдается в газообразных, жидких и твердых прозрачных диэлектриках.
Самофокусировка в среде с кубичной (керровской) нелинейностью, которая определяет сжатие пучка в один или несколько филаментов, впервые теоретически предсказана в [1] и экспериментально наблюдалась в работе [2], в которой представлена первая фотография протяженного канала, полученного при фокусировке в нелинейную жидкость. Дальнейшие теоретические исследования проводились в основном для аксиально-симметричных гауссовых пучков [3 — 6]. В [3] показан пороговый характер явления, получено выражение для критической мощности самофокусировки. Безаберрационное приближение [4] позволило аналитически получить выражения для критической мощности и расстояния самофокусировки, которое хотя и даст заниженные значения этой величины, качественно согласуется с экспериментальными и численными результатами. Анализ гамильтониана нелинейного уравнения Шредингера также позволил получить значение критической мощности [5]. Критические мощности, найденные в [3 — 5], близки по порядку величины и отличаются только численным коэффициентом порядка единицы. На основе численного моделирования процесса самофокусировки выражения для критической мощности и

§2.2. Фотоионизация и нелинейность самонаведенной лазерной плазмы
Нестационарная нелинейность самонаведенной лазерной плазмы, которая образуется при филаментации мощного фемтосекундного лазерного импульса, является вторым нелинейно-оптическим эффектом (вместе с керровской нелинейностью), определяющим процесс филаментации и ограничивающим коллапс пучка при самофокусировке. Ввиду того, что знаки керровской и плазменной нелинейностей отличаются, можно говорить, что филамент является результатом динамической конкуренции этих эффектов [16].
Ионизация атомов и молекул в газах и переход электронов из валентной зоны в зону проводимости в прозрачных жидкостях и твердых диэлектриках является многофотонным процессом, поскольку потенциал ионизации или ширина запрещенной зоны есть величина около 10 эВ, в то время как, энергия кванта лазерного излучения — 1 — 3 эВ (для лазерной системы на титан-сапфире энергия фотона около 1.5 эВ).
По физической природе явление ионизации можно разделить на полевую (многофотонную и туннельную, которые, как показано в [91], есть частные случаи одного процесса полевой ионизации) и лавинную.
Согласно теории Келдыша, ионизация атомов в переменном поле лазерного импульса может носить характер, как многофотонного процесса, так и туннельного. Граница между этими двумя режимами ионизации определяется параметром Келдыша у [91|:
где со—диэлектрическая постоянная (в СИ), Ж,-— потенциал ионизации атома. В пределе у« 1 (сильное поле) имеет место туннельная ионизация, при у» 1 (слабое поле) характер ионизации меняется на многофотонный.
Процесс многофотонной ионизации атома состоит в том, что атом одновременно поглощает несколько квантов излучения Йсо0, в сумме несущих энергию, большую энергии ионизации Ж. При этом вводят число т„ называемое порядком многофотонности процесса ионизации:

+1, (2.11)
|_Йсо0 ]
где скобки обозначают процедуру взятия целой части числа. В более сильных полях имеет место туннельная ионизация, которую можно рассматривать как ионизацию в постоянном электрическом поле, уменьшающем кулоновский потенциальный барьер, через который туннелирует электрон.
(2.10)