Электродинамические резонансы и неустойчивости и их роль в инициировании оптического пробоя прозрачных сред

• Автор: Груздев, Виталий Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение. О нелинейных электродинамических механизмах инициирования оптического пробоя прозрачных конденсированных сред
Глава 1. Неустойчивость поля в диэлектрических частицах и одна методика оценки ее порога (на примере плоского диэлектрического слоя)
1.1. О неустойчивости поля в диэлектрических частицах и оценке ее порога на основе приближенного решения самосогласованной задачи
1.2. Оценка порога неустойчивости поля на основе точного решения нелинейной задачи о структуре плоской волны в диэлектрическом слое
1.3. О точности и применимости приближенного метода оценки порога неустойчивости поля
Глава 2. Неустойчивость поля при образовании квазирезонансной моды типа шепчущей галереи в диэлектрических микровключениях
2.1. Модель неустойчивости поля в сферическом непоглощающем низкодобротном включении околорезонансного размера
2.2. Модели неустойчивости поля в сферических включениях субмикронного размера, исключающего возможность прямого возбуждения собственных мод
2.3. Нетепловые механизмы инициирования оптического пробоя прозрачных сред наносекундными импульсами
Глава 3. Ударные электромагнитные волны оптического диапазона частот и возможные механизмы инициирования оптического пробоя в прозрачных средах
3.1. Модель для описания распространения сверхкоротких лазерных импульсов в прозрачных средах с дисперсией
3.2. О возможности образования ударных электромагнитных волн в прозрачной среде
3.3. Порог образования УЭМВ и влияние дисперсии показателя преломления
3.4. Моделирование формирования и эволюции УЭМВ. Спектральные закономерности
3.4. О возможных механизмах инициирования оптического пробоя в прозрачных средах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов
Заключение и выводы
Приложение 1. Получение из точного решения оценки порога неустойчивости поля...98 Приложение 2. Асимптотическое разложение амплитуды поля по малому параметру
Приложение 3. Дисперсия показателя преломления для сверхкоротких импульсов

ВВЕДЕНИЕ
О нелинейных электродинамических механизмах инициирования оптического пробоя прозрачных конденсированных сред
Оптический пробой прозрачных сред лазерным излучением изучается уже более 35 лет [1], но до сих пор он представляет собой одну из наиболее интересных и важных проблем лазерной физики, остающихся изученными и понятыми не в полной мере. Интерес к фундаментальной стороне этой проблемы обусловлен возможностью подвергать поверхность и объем различных материалов действию лазерного излучения большой интенсивности, что позволяет создавать уникальные условия для модификации вещества и вызывать в нем процессы, не инициируемые при других видах воздействия. Кроме того, варьируя параметры излучения, можно существенно контролировать протекание и конечный результат указанных процессов, вызывая их в сильно локализованных областях размерами от нескольких сотен микрометров до нескольких сотен нанометров.
Оптический пробой является также одной из наиболее важных прикладных проблем лазерной физики, техники и технологии, имеющей два аспекта. Первый из них связан с тем, что максимальная мощность и энергия излучения лазерных систем ограничена процессами разрушения их оптических компонентов - зеркал, линз, окон и др. [2]. Поэтому до сих пор большие усилия прилагаются в направлении поиска конфигураций резонаторов, условий облучения и материалов, позволяющих повысить порог пробоя оптических элементов, и тем самым увеличить мощность выходящего излучения. Это направление стало особенно актуально с началом программы по созданию сверхмощных лазеров для поджига управляемого термоядерного синтеза [3].
Важность второго аспекта обусловлена тем, что минимальная величина энергии лазерного импульса или мощности непрерывного излучения, необходимой для обработки материалов, определяется порогом их разрушения лазерным излучением. Зависимость этого порога от параметров излучения позволяет подбирать разнообразные условия обработки заданного материала и контролировать их.
Несмотря на достигнутые успехи в изучении оптического пробоя, многие задачи в этой области остаются нерешенными до сих пор [4]. Связано это со сложностью самого явления пробоя, которое возникает как результат последовательного и параллельного протекания многих процессов (линейного и многофотонного поглощения, ионизации, нагрева, плавления, испарения, фазовых переходов различного типа), вызываемых лазерным излучением в очень локализованной области пространства и сильно зависящих
от многих параметров вещества и излучения. На различных стадиях оптического пробоя от инициирования до формирования морфологии поврежденного участка доминирование того или иного процесса определяется конкретными условиями проведения эксперимента - типом материала, примесями в нем, поглощением, геометрией фокусировки, длиной волны, длительностью импульса и т. д. Инициирование и протекание процесса пробоя сильно зависит также от того, происходит ли он на поверхности или в объеме исследуемого материала. В первом случае пробой развивается, кроме прочего, при сильном влиянии состояния поверхности и приповерхностного слоя вещества.
Изучение всей совокупности процессов, протекающих при оптическом пробое, является трудной задачей, по крайней мере потому, что большинство из них нелинейные. В силу этого во многих случаях выделяется несколько (чаще всего - один, реже - два) доминирующих процессов, которые изучаются при упрощающих предположениях относительно других процессов. Последними или пренебрегают, или рассматривают их линейными. Например, до настоящего времени наиболее употребительной и разработанной является модель развития пробоя в прозрачных средах за счет нагрева материала при одно- и двух-фотонном поглощении вблизи поглощающих включений [4, 5], которые неизбежно возникают при производстве оптических материалов. Нагрев полагается доминирующим процессом в рамках этой модели, в то время как остальные процессы исключаются из рассмотрения, а излучение чаще всего описывается простейшей моделью - плоской гармонической волной. Пробой рассматривается как результат плавления или термоупругого растрескивания. Длительное экспериментальное изучение лазерного пробоя различных прозрачных сред показало, что во многих случаях он действительно развивается вблизи поглощающих включений [4], при этом наблюдаются предсказанные теорией качественные зависимости порога пробоя от параметров излучения [4, 5].
Длительное время в качестве практически единственного нетеплового механизма инициирования оптического пробоя в прозрачных средах рассматривалась только самофокусировка [6, 25, 26]. Тем не менее, за последние 15-20 лет накопилось значительное количество экспериментальных данных, указывающих на то, что существуют условия, в которых возможно явное доминирование других нетепловых процессов при инициировании и развитии пробоя в прозрачных средах. Это является важным как с точки зрения прикладных, так и с точки зрения фундаментальных аспектов изучения оптического пробоя. Все факты, связанные с силовым воздействием коротких лазерных импульсов и не имеющие адекватной теоретической интерпретации в рамках традиционных тепловых моделей и представлений о влиянии самофокусировки, получены при проведении экспериментов по оптическому пробою в условиях сильной

ГЛАВА 2.
Неустойчивость поля при образовании квазирезоиансной моды типа шепчущей галереи в диэлектрических микровключениях
Существенные особенности нелинейной эволюции поля в сферическом микровключении связаны с наличием высокодобротных собственных мод таких частиц, которые могут возбуждаться излучением за счет индуцирования нелинейной добавки к показателю преломления. Это делает возможным развитие неустойчивости поля, вероятный физический механизм которого рассмотрен в первом разделе настоящей главы на основе модели дифракции плоской волны на диэлектрической сфере. Результаты, полученные в нем в соответствии с методикой, изложенной в первой главе, обобщены на случай включения произвольной формы. В этом же разделе рассмотрены лазерно-индуцированные изменения добротности, сопровождающие развитие неустойчивости. Предельный случай сверхмалых добротностей, соответствующий столь малым размерам микрочастиц, когда возбуждение собственной моды невозможно, изложен в разделе 2.2. На основе полученных результатов в разделе 2.3 рассмотрены новые подходы к анализу процессов инициирования оптического пробоя прозрачных сред. В дальнейшем в этой главе объект исследования именуется частицей, микрочастицей, микросферой или микровключением, и все эти названия полагаются эквивалентными.
2.1. Модель неустойчивости поля в сферическом непоглощающем низкодобротном включении околорезонансного размера
В первом разделе предыдущей главы рассмотрен физический механизм возникновения нестационарного режима распространения монохроматического лазерного пучка большой мощности в прозрачной среде, содержащей диэлектрическое включение. В данном разделе предполагается, что его размеры малы, чтобы давать сколько-нибудь существенный вклад в рассеяние, и исключают образование собственной моды при низкоинтенсивном воздействии лазерного излучения. С другой стороны, параметры микрочастицы близки к значениям, соответствующим образованию ее собственной моды. Специфичность рассматриваемых ниже процессов состоит в возможности развития существенно нестационарных электродинамических процессов, в том числе, неустойчивости поля в смысле данного в главе 1 определения. Существенное влияние на характер развития таких процессов в этом случае оказывают