Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна . . 8
1.2. Обращение волнового фронта при ВРМБ 29
1.3. Разрушение прозрачных диэлектриков под дейст
вием лазерного излучения 36
Глава II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 47
Введение 47
П.І. Требования к параметрам лазерного излучения при исследовании ВРМБ 48
П.2. Описание оптических генераторов, использованных в экспериментах 50
П.З. Измерение параметров лазерного излучения и ВРМБ 60
П.4. Пространственные характеристики лазерного и рассеянного пучков 66
П.5. Описание полной экспериментальной схемы измерения 71
Заключение 75
Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ И СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ВРМБ В СФОКУСИРОВАННОМ ПУЧКЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА В ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕДАХ 76
Введение 76
1. Расчет интенсивности ВРМБ для сфокусированного пучка накачки 77
2. Эксперимент по проверке развитой модели ВРМБ в сфокусированных пучках 95
3. Исследование усиления ВРМБ в твердых телах .... 102
4. Спектральное исследование ВРМБ 107
5. Исследование ВРМБ в водных растворах электролитов и этилового спирта . П2
Глава ІV. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ И ОВФ ПРИ ВРМБ В СФОКУСИРОВАННОМ ПУЧКЕ НАКАЧКИ С МАЛЫМ ЧИСЛОМ УГЛОВЫХ МОД 123
Введение 123
1 Распределение поля ВРМБ в дальней зоне для сфокусированного гауссова пучка лазера 124
.2. Экспериментальное исследование структуры поля ВРМБ при сфокусированном пучке накачки с одной или несколькими аксиальными модами . . . 139
Выводы 150
Глава V. РАЗРУШЕНИЕ СРЕД, СОПРОВОЖДАЛ» ВРМБ 151
Введение 151
Образование трека разрушения в некоторых водных растворах под действием наносекундного лазерного импульса в отсутствие электрического пробоя среды 151
Разрушения в щелочногалоидных кристаллах под действием наносекундного лазерного импульса и возникающее при этом рассеяние света 160
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 167
ЛИТЕРАТУРА 170
- Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна
- Требования к параметрам лазерного излучения при исследовании ВРМБ
- Расчет интенсивности ВРМБ для сфокусированного пучка накачки
- Распределение поля ВРМБ в дальней зоне для сфокусированного гауссова пучка лазера
- Образование трека разрушения в некоторых водных растворах под действием наносекундного лазерного импульса в отсутствие электрического пробоя среды
Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна
Прежде чем перейти к описанию одного из эффектов нелинейной оптики - вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, остановимся на его аналоге в линейной оптике - тепловом рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ТРМБ). Как уже упомянуто, оба рассеяния происходят на адиабатических флюктуациях плотности среды /1,2/. Тепловое (или спонтанное) рассеяние Мандельштама-Бриллюэна является одним из случаев молекулярного рассеяния света в среде с изменением длины волны или неупругим рассеянием света на акустических фононах /3,4/. Теория этого явления, основанная на представлении Дебая (1912 г.) теплового движения частиц четырехмерным спектром Фурье, была развита почти одновременно (в 20-х годах нашего столетия) Л.И.Мандельштамом и Л.Бриллюэном. Рассеяние света рассматривалось ими как результат дифракции падающего света на движущихся элементарных звуковых решетках, которые воздействуют на свет через изменение диэлектрической проницаемости среды.
На рис.1 представлена схема спонтанного РМБ. Из нее можно видеть, что для света с волновым вектором i , падающего на прозрачную среду и угла наблюдения Є , всегда найдется нормальное акустическое колебание с волновым вектором G , такое, что под углом В будет иметь место дифрагированный свет с волновым вектором К . Для этих трех колебаний удовлетворяется условие Вуль-фа-Брэгга, т.е. закон сохранения импульса:
Требования к параметрам лазерного излучения при исследовании ВРМБ
Для возможности непосредственного сопоставления результатов эксперимента с теорией, развитой для монохроматической накачки, необходимо, чтобы ширина спектральной линии излучения ЛТB удовлетворяла соотношению
Здесь полуширина спектральной линии теплового РМБ - д Ч ТРНБ ОПР9 деляется формулой ДУТРМТЭ - уЪА /3/. Поскольку обычно инкре-мент усиления при БРМБ 1 Д (20-25), то используя данные по с ,Ьйи Ь из /I,. 15, 82, 83/, можно оценить ДЧ ЬРЦБ ДЛЯ конкретных сред. Так, например, для кристаллического кварца, при К II Z tf= 6,2.105 см/с, сСЬь= 280 см""1, ЯдЧ 25 МГц, а для воды, при If =1,5.105 см/с, ос = 8.10 3 см, ІАЧ%г н& 160МГц. Если &Чц не достаточно мала, это приведет к экспоненциальному увеличению порога БРМБ, т.е. требуемой интенсивности накачки.
2. Длительность импульса ЛТИ СН ограничивается, с одной стороны - временем установления стационарного процесса (порядка нескольких наносекунд /2, 16, Г7/, с другой - временем развития нежелательного процесса стрикционной самофокусировки, который раз вивается за время Gc IO2 не (где di - диаметр попе речного сечения пучка лазера). Поэтому TJ должно быть несколько - 49 десятков наносекунд:
3. Энергия импульса ЛГИ \ТЦ (Дж) должна быть достаточно велика, чтобы при данной длительности импульса и фокусировке лазерного луча создать в фокусе линзы интенсивность светового потока (т е. плотность мощности, Вт/сиг), необходимую для развития процесса вынужденного рассеяния при данных t и , иь Это становится возможным при превышении порога Таунса (1.22). На опыте эта интенсивность существенно выше указанного порога и соответствует (0,1-1) Дж энергии при Т н - несколько десятков наносекунд.
Чтобы перейти от энергии лазерного пучка, измеряемой на эксперименте, к распределению его интенсивности в области взаимодействия, необходимо кроме Сц знать пространственное распределение излучения накачки. Пространственное распределение излучения накачки должно обладать простой структурой, позволяющей проводить оценку параметров сфокусированного пучка. Для лазерных пучков такой структурой является гауссова одномодовая /84-88/. Пучок с резкими границами, также кажущийся простым, мало пригоден для исследования, так как после фокусировки он образует вблизи фокуса чрезвычайно сложную структуру /89/. Подробнее о гауссовом распределении поля и учете небольших отклонений от него будет сказано ниже в П.4.
4 Расходимость пучка лазерной накачки -Он , которая является естественной характеристикой пространственного распределе -ния излучения в дальней зоне /90/, задается из следующих условий: Для того чтобы продольный размер области взаимодействия не ограничивался линзой, фокусное расстояние применяемой линзы
Расчет интенсивности ВРМБ для сфокусированного пучка накачки
В случае применения сфокусированного пучка накачки интенсивность ее непрерывно изменяется как вдоль, так и поперек пучка, и поэтому использование в этом случае результатов работы Кролла /8/ для плоской модели, где интенсивность накачки постоянна во всем объеме взаимодействия, невозможно. Повидимому, первая попытка рассчитать интенсивность ВР№ для сфокусированного пучка была предпринята в нашей ранней работе /98/. В этой статье реальное распределение поля в области фокуса заменялось цилиндром с резкими границами в области каустики и двумя расширяющимися конусами вне каустики. Такой метод позволил построить решение в замкнутом виде. Несмотря на грубость модели, положенной в основу расчета, полученные результаты показали удовлетворительное согласие с экспериментом.
В дальнейшем эта модель была приближена к реальности и произведен расчет ВРЭДЗ для сфокусированного гауссова пучка. Результаты этого расчета были опубликованы в /99/. Необходимо отметить, что несколько ранее была опубликована статья /100/, в которой рассматривалась аналогичная задача для случая попутного ВКР и другим методом. Полученные в ней результаты несколько отличаются от наших, что подробнее будет рассмотрено ниже. Кроме того, в работе /100/ допущена неточность при задании распределения интенсивности накачки в сфокусированном гауссовом пучке (в него введены как независимые переменные \ и Х0 - фокусное расстояние и радиус каустики в перетяжке, в то время как гауссов пучок полностью определяется одним независимым параметром /90, 95Д что приводит к неточности и окончательного выражения.
Рассмотрим теперь решение этой задачи подробнее. Как известно, распределение интенсивности света гауссова пучка, сфокусированного безаберационной линзой большого диаметра, имеет следующий вид /90/:
Распределение поля ВРМБ в дальней зоне для сфокусированного гауссова пучка лазера
В последнее время интерес к процессу ВРМБ чрезвычайно возрос из-за возможности его использования для обращения волнового фронта (ОВФ). В данной работе также проведено исследование пространственных характеристик поля ВРМБ в сфокусированных пучках в разных экспериментальных условиях, что позволило объяснить еще одну сторону явления ВРМБ и ОВФ при ВРМБ. Было построено решение задачи о распределении поля ВРМБ в дальней зоне для сфокусированного гауссова пучка накачки и показано, что его расходимость может быть близка к расходимости накачки. Предложенный своеобразный механизм такого явления подтвержден серией специальных экспериментов.
Далее на основе полученного решения о пространственном распределении поля ВРМБ исследуется процесс ОВФ световых пучков с простым пространственным распределением, состоящим, например, из одного или нескольких гауссовых пучков, сфокусированных в среду, не ограниченную световодом. Следует отметить, что наиболее удобен и близок к реальности элементарный пучок с гауссовым сечением, использование же в качестве элементарного пучка плоской волны, как это делается в некоторых работах /ПО/, представляется менее удобным. Очевидно, что для гауссова пучка ОВФ - это равенство расходи-мостей накачки и рассеянного излучения (при одновременном обращении знака радиуса кривизны волновых полей в собственной системе координат и противоположных направлениях распространения). Несмотря на экспериментальное наблюдение такого процесса в ряде работ, начиная с первых /42, 43, III-II4/, физическая причина его оставалась неясной, в /133/ утверждалось даже, что для реализации ОВФ при ВР необходимо наличие развитой пространственной структуры. В этой главе диссертации показано, что определяющую роль в механизме ОВФ при маломодовой накачке играет длина активной области взаимодействия, т.е. длина эффективного излучателя рассеянного света, поскольку именно длина формирует, в основном, диаграмму направленности, и уменьшение эффективного диаметра активной области (из-за экспоненциального характера процесса вынужденного рассеяния) поэтому не приводит к увеличению расходимости рассеянного света.
Действительно, как было показано выше, эффективная область каустики, в которой, в основном, и происходит ВРМБ, имеет радиус \/m d 5 раз меньше радиуса луча накачки Ьа . СООТВЄТСТ -венно, дифракционная расходимость для излучателя ВРМБ должна быть в l/m, раз больше расходимости лазерного пучка. Однако, как уже упомянуто выше, экспериментально показано, что расходимость ВРМБ для простых пучков накачки близка к расходимости возбуждающего луча ЛТЙ, и это дает основание назвать такой процесс - одномодовым ОВФ, т.е. обращением волнового фронта светового пучка, обладающего малым числом аксиальных мод, а в идеальном случае - единственной аксиальной модой. Рассмотрим сначала структуру поля ВРМБ в дальней зоне для идеального гауссова пучка накачки.
Образование трека разрушения в некоторых водных растворах под действием наносекундного лазерного импульса в отсутствие электрического пробоя среды
При исследовании ВРМБ в некоторых водных растворах было замечено, что при определенных концентрациях этих растворов, когда узкий несфокусированный лазерный пучок, наносекундой длительности, мощностью несколько мегаватт проходит через среду без ее пробоя, на его пути, спустя время порядка нескольких секунд, возникают газовые пузыри, которые после (10-20)с всплывают к поверхности (рис.41).
Было проведено подробное изучение этого явления. Для чего:
1. Процесс фиксировался широкоформатной кинокамерой на пленку KH-I и РФ-3 со скоростью (2-16) кадров/с, что позволило проследить динамику образования пузырькового следа, который оставлял луч лазера в кювете с раствором. Как оказалось, пузырьки "проявляются" спустя время от нескольких десятых секунды до нескольких секунд после прохождения светового импульса в зависимости от состава раствора, его концентрации, времени старения (т.е. времени, прошедшего от момента изготовления раствора до потери им свойства регистрировать лазерный импульс) и от плотности мощности излучения в данном объеме среды (рис.41, 43).
2. Были найдены более удобные экспериментальные среды, поскольку первые жидкости, в которых было обнаружено рассматриваемое явление (растворы кислот И2Ь0ц , ИМ05 ,ЦС ) не позволяли его исследовать, во-первых, из-за высокой интенсивности лазерного излучения, при которой появлялись пузырьки, сравнимой с интенсивностью, при которой происходит электрический пробой среды. Во-вторых, из-за быстрого самопроизвольного старения раствора (порядка нескольких десятков минут).
Этими средами оказались водные растворы ацетона и этилового спирта, со временем старения, достигающим нескольких десятков часов. Было установлено, что явление носит пороговый характер. Наиболее низкий порог (0у1-0,2)
Похожие диссертации на Исследование амплитудных, спектральных и пространственных характеристик вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в конденсированных прозрачных средах
