Распространение филамента
Распространение филамента - в нелинейной оптике это распространение пучка света в среде без дифракции. Это возможно, из-за эффекта Керра, который вызывает изменение показателя преломления в среде, что приводит к самофокусировке луча.[1]
Следы нитевидного повреждения в стекле, вызванные лазерными импульсами, впервые были обнаружены М. Гершером в 1964 году.[2] Распространение лазерных импульсов в атмосфере накала наблюдалось в 1994 году Жераром Муру и его командой из Мичиганского университета. Баланс между самофокусирующей рефракцией и самопоглощающей дифракцией при ионизации и разрежении лазерного луча с тераваттной интенсивностью, создаваемого усилением чирпированного импульса, в атмосфере создает «нити», которые действуют как волноводы для луча, таким образом предотвращая расхождение. Альтернативные теории о том, что наблюдаемая светящаяся нить на самом деле была иллюзией, созданной аксиконическим (бесселевым) или движущимся фокусом вместо «волноводной» концентрации оптической энергии, были опровергнуты работниками Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1997 году.[3] Хотя для описания процесса филаментации были разработаны сложные модели, теория, предложенная Akozbek et al.[4] предоставляет полуаналитическое и простое для понимания решение для распространения сильных лазерных импульсов в воздухе.
Распространение филамента в полупроводниковой среде наблюдается в лазерах с вертикальной полостью и большой апертурой.
Фемтосекундная лазерная филаментация в газовых средах
Самофокусировка
Для самофокусировки нужна максимальная мощность лазера, превышающая критическую мощность (порядка гигаватт в воздухе [5] ), однако для инфракрасных (ИК) наносекундных импульсов с пиковыми мощностями, превышающими критическую мощность, самофокусировка невозможна. Многофотонная ионизация, обратное тормозное излучение и электронная лавинная ионизация являются тремя основными результатами взаимодействия газа и лазера. Последние два процесса являются взаимодействиями типа столкновений и требуют короткого времени для выполнения (пикосекунда - наносекунда). Наносекундный импульс достаточно длинный, чтобы вызвать пробой воздуха, прежде чем мощность достигнет порядка ГВт, необходимого для самофокусировки. При распаде газа образуется плазма, которая обладает поглощающим и отражающим эффектом, поэтому самофокусировка запрещена.
Распространение филамента в фотореактивных системах
Образование и распространение филаментов можно наблюдать в фотополимерных системах. Такие системы демонстрируют керровоподобную оптическую нелинейность за счет увеличения показателя преломления на основе фотореактивности.[6] Волокна образуются в результате самозахвата отдельных лучей или нестабильности модуляции широкого светового профиля. Распространение филамента наблюдалось в нескольких фотополимеризующихся системах, включая органосилоксан,[7] акрил,[8] эпоксид и сополимеры с эпоксидными смолами,[9] и смеси полимеров.[10][11] Местами формирования и распространения "нити накала" можно управлять путем модулирования пространственного профиля входного светового поля. Такие фотореактивные системы способны производить филаменты из пространственно и временно некогерентного света, потому что медленная реакция реагирует на усредненную по времени интенсивность оптического поля, в результате чего фемтосекундные колебания размываются. Это похоже на фоторефракционные среды с не мгновенными откликами, которые обеспечивают распространение филамента при некогерентном или частично некогерентном свете.[12]
Потенциальные применения
Филаменты, превратившись в плазму, изменяют узкополосный лазерный импульс в широкополосный, имеют совершенно новый набор применений. Интересным аспектом плазмы, вызванной филаментацией, является ограниченная плотность электронов, что предотвращает оптический пробой.[13] Этот эффект является отличным источником для спектроскопии высокого давления с низким уровнем континуума, а также меньшим расширением линии.[14] Ещё одно потенциальное применение - ЛИДАР- мониторинг атмосферы.[15]
В июле 2014 года исследователи из Университета Мэриленда сообщили об использовании филаментных фемтосекундных лазерных импульсов в квадратном расположении для создания градиента плотности в воздухе, который действовал как оптический волновод, длящийся порядка нескольких миллисекунд. Первоначальные эксперименты показали усиление сигнала на 50% по сравнению с неуправляемым сигналом на расстоянии около 1 метра.[16]
Внешние ссылки
- Experiments Detail How Powerful Ultrashort Laser Pulses Propagate through Air
- Filamentation and Propagation of Ultra-Short, Intense Laser Pulses in Air
Примечания
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ N Aközbek, CM Bowden, A Talebpour, SL Chin, Femtosecond pulse propagation in air: Variational analysis, Phys. Rev. E 61, 4540–4549 (2000)
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ A. Talebpour et al., Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: road to new spectroscopic source, 2000,Optics Communications, 183:479–484
- ↑ A. Talebpour et al., Spectroscopy of the Gases Interactingwith Intense Femtosecond Laser Pulses, 2001, Laser Physics, 11:68–76
- ↑ L. Wöstea, S. Freyb, J. Wolf, LIDAR-Monitoring of the Air with Femtosecond Plasma Channels, Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2006, 53:413–441
- ↑ Шаблон:Citation