Генерация суперконтинуума при распространении мощного фемтосекундного лазерного импульса в воздухе и жидких средах

• Автор: Голубцов, Илья Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

ГЛАВА 1. ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА В ПОЛЕ МОЩНОГО
ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА
§1.1. Филаментация мощных лазерных импульсов и мелкомасштабная
самофокусировка
§ 1.2. Состояние исследований по филаментации фемтосекундных лазерных
импульсов в воздухе
§1.3. Состояние исследований генерации суперконтинуума в сплошных
прозрачных средах
§1.4. Исследования по управлению филаментацией и генерацией суперконтинуума
ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
МОЩНЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
§2.1. Мгновенная и инерционная керровская нелинейность
§2.2. Плазменная нелинейность среды
§2.3. Дисперсия импульса
§2.4. Математическая модель
§2.5. Размерность задачи распространения мощного фемтосекундного
лазерного импульса
§2.6. Численная схема
§2.7. Параметры вычислительных экспериментов
§2.8. Выводы по главе
ГЛАВА 3. ФИЛАМЕНТАЦИЯ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА
§3.1. Понятие филамента и его параметры
§3.2. Кольцевая структура в пространственно-временном
распределении интенсивности
§3.3. Роль материальной дисперсии и волновой нестационарности

§3.4. Филамент в сфокусированном импульсе
§3.5. Явление многократной рефокусировки лазерного импульса §3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЧАСТОТНО-УГЛОВОЙ СПЕКТР ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА
ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ
§4.1. Фазовая самомодуляция и трансформация спектра импульса
§4.2. Динамика спектра мощного фемтосекундного лазерного импульса
при филаментации
§4.3. Коническая эмиссия и кольцевая структура лазерного импульса
§4.4. Влияние материальной дисперсии, инерционности керровской нелинейности
и волновой нестационарности на уширение спектра
§4.5. Источники суперконтинуума в лазерном импульсе
§4.6. Выводы по главе
ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ ФИЛАМЕНТАЦИЕЙ И ГЕНЕРАЦИЕЙ СУПЕРКОНТИНУУМА
§5.1. Принципиальная возможность управления процессами филаментации и
генерации суперконтинуума
§5.2. Начальная фазовая модуляция - как средство управления филаментацией
и генерацией суперконтинуума
§5.3. Сфокусированный импульс
§5.4. Оптимизация параметров лазерного импульса
§5.5. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Активное развитие техники генерации мощного пико- и фемтосекундого лазерного излучения в 90-х годах прошлого века, ознаменованное созданием экспериментальных установок тераваттной мощности, способных воспроизводить импульсы длительностью менее 100 фс, привело к возрождению интереса у исследователей к проблемам генерации суперконтинуума при распространении мощного лазерного излучения в сплошных оптических средах.
Мощные фемтосекундные лазерные импульсы при распространении в газах благодаря своей малой длительности не испытывают воздействия тепловой дефокусировки и оптического пробоя, тогда как эффект Керра приводит к самофокусировке излучения. Следствием такого нелинейно-оптического взаимодействия излучения и среды является формирование филаментов - тонких длинных нитей с высокой концентрацией световой энергии [1-3]. Филаментация лазерных импульсов сопровождается сверхуширением его частотного спектра или иначе, генерацией направленного излучения суперконтинуума [2, 4], что представляет несомненный интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и практического применения.
Мощные фемтосекундные лазерные импульсы в газообразных средах обладают уникальными свойствами. Образуемое ими излучение суперконтинуума имеет непрерывную спектральную полосу, покрывающую видимый и инфракрасный диапазоны длин волн, и обладает узкой направленностью. Оно характеризуется большой спектральной яркостью и высокой степенью когерентности входящих в его состав спектральных компонент. Возможность получения световых импульсов с подобными характеристиками открыла серьезные перспективы применения лазерного излучения в задачах мониторинга и зондирования атмосферы [5]. В настоящее время уже созданы первые широкополосные фемтосекундные лидары тераваттной мощности, позволяющие накапливать информацию о состоянии атмосферы в диапазоне длин волн от 400 нм до 4 мкм без необходимости перестраивать несущую частоту излучения, что принципиально расширяет информативность лазерного зондирования [6].
Следствием нелинейно-оптического взаимодействия излучения с веществом при филаментации является не только трансформация лазерного импульса и его спектра, но и изменение характеристик среды. В филаменте интенсивность излучения достигает величин 1013 - 1014 Вт/см2, что приводит к генерации лазерной плазмы. Эта особенность позволяет получать управляемый газовый разряд, локализация которого определяется

дифракционное уравнение

<2-54)
с начальным условием для Лдиф : А'„ф = Ап.
• дисперсионное уравнение
..дА*“ ЬдифдгАдисп .2 ЬдифдгАдшя
2' = —ггг ?— +1 —ггг ;—
Эг д!г 3 £<1 а3
(2.55)
с начальным условием для А дис": А*“с" = А
• нелинейное уравнение
2,^аГ={^АПк (ЛГ }+АПр (К7 (2.56)
с начальным условием для Л“1: Л“1 = Л*““.
• нелинейное уравнение
*лня2 к Г ЯГ/
2/^| 2«-^-|- Ди*(4Т) + Ке(Д«р(уС))>Г2 (2.57)
дг п0 3?
с начальным условием для Л“2: Л“’2 = Л”!.
Решение последнего уравнения принимается за искомый результат: А„+1 = Л"2.
Дифракционное уравнение (2.54) решается в спектральном представлении. Представляя световое поле Ад“ф спектром Фурье Адиф и используя разложение
-1*-/4+(й),р-+(й)’р-*-- <2'58)
из (2.54) получим:
дА^(г,т) а .,.г а2 а3
= Гд ,Л^(г,«)е'<в'(1-ЛйЛ-(5<»)2-(5й;)3+...)с/(у= Гд,л^(г,®)
-» 1 + 80)
где спектр Фурье А‘н‘ф(г,со,г) связан с полем Адиф(гА,г) соотношением:

А**(г,1,г) = ^Адиф (г,со, 2)е'м с1са (2.59)