Введение к работе
Актуальность исследований
Нелинейная атмосферная оптика, являясь одним из разделов современной атмосферной оптики, начала развиваться в 70-ые годы прошлого века и стабильно наращивает развитие, трансформируя и расширяя круг задач в соответствии с развитием лазерной техники.
Актуальность исследований распространения лазерных импульсов микросекундной длительности, генерируемых на колебательных переходах двуокиси углерода, в силу больших КПД, определялась практической потребностью передачи лазерной энергии, созданных в 80-90 годы прошлого века источников, через атмосферу. При этом аэрозольная фракция, практически всегда в том или ином виде присутствующая в атмосфере, является наиболее значимой, с точки зрения ослабления лазерного излучения. Основным и наиболее распространенным аэрозолем атмосферы, влияющим на условия распространения лазерного излучения, является водный аэрозоль - дождь, морось, туман, облака.
Взаимодействия мощного лазерного излучения с ансамблями водных частиц протекает по-разному в зависимости от длины волны лазерного излучения, что определяет поглощающие свойства капель, длительности лазерного импульса, определяющей мощность излучения, размера частиц от которого зависит степень неоднородности распределения световых полей по объему аэрозольной частицы.
Для импульсного излучения СОг-лазеров микросекундной длительности энергетические пороги нелинейно-оптических эффектов, испарение, взрывное вскипание, фрагментация при взрыве, оптический пробой частиц водного аэрозоля составляют от нескольких до несколько десятков Дж/см2, поэтому учет данных эффектов необходим в задаче транспортировки мощных пучков в аэрозольной атмосфере. Для прогноза эффективности передачи лазерной энергии в заданную область пространства необходим учет трансформации оптических свойств среды при распространении в ней мощного лазерного излучения. Построение модели ослабления излучения аэрозольной атмосферой невозможно без первоначального моделирования процесса взаимодействия излучения с отдельной аэрозольной частицей и оптических последствий этого взаимодействия. Поскольку задача, в силу многообразия взаимовлияющих факторов, достаточно сложна для чисто теоретического моделирования, необходима экспериментальная информация о количественных характеристиках процессов [1]. Поэтому к моменту начала исследований в проблеме прогноза распространения мощного лазерного излучения в атмосфере стояла задача о построении полуэмпирических моделей взаимодействия излучения с водным аэрозолем. При этом важно не только промоделировать возможные сценарии взаимодействия и их последствий в контролируемых лабораторных условиях, опреде-
лить необходимый минимум измеряемых характеристик, но и верифицировать имеющийся массив натурных измерений.
Данное направление исследований актуально и в настоящее время но уже в задачах распространения коротких и ультракоротких лазерных импульсов в слабопоглощаю щем аэрозоле [2]. При этом причиной фрагментации слабо поглощающих капель служит не быстрый нагрев, а формирование плазменных очагов внутри частиц за счет многофотонной ионизации, генерация ударной волны, рекомбинация плазмы и разрушение частиц с формированием аэрозоля с новой микроструктурой, определяющей дальнейшие условия распространения излучения.
Развитие нового перспективного направление лазерной техники -генерация ультракоротких лазерных импульсов или фемтосекундной оптики открыло новый широкий круг задач в том числе и для атмосферной оптики. К настоящему времени достигнуты длительности менее десяти фем-тосекунд [3] и, соответственно гигантские, вплоть до петаватт [4], мощности излучения при которых реализуются ранее недостижимые в атмосфере нелинейно-оптические эффекты, такие как филаментация лазерного пучка, генерация суперконтинуального свечения, неупругое рассеяние, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость всестороннего изучения физики взаимодействия такого излучения с газовой и аэрозольной компонентами атмосферы, исследования количественных проявлений реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики, таких как например, проводка молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы с помощью лидаров белого света, нелинейная спектроскопия атмосферы. Следует отметить, что количество публикаций в российской печати в данной области, посвященных теоретическому моделированию на порядок превышает количество экспериментальных исследований. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между характеристиками излучения и наведенными оптическими свойствами атмосферного канала распространения, несомненно актуально в настоящее время.
Цель и задачи исследования
Целью работы является экспериментальные исследования проблемы самовоздействия при распространении в газово-аэрозольной атмосфере мощных лазерных импульсов в диапазоне длительностей от микросекунд до фемтосекунд в различных спектральных диапазонах лазерного излучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Экспериментальное исследование взаимодействия интенсивных лазерных импульсов микросекундной длительности с частицами погло-
щающего жидкокапельного аэрозоля. Определение минимального набора характеристик взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц, достаточного для описания оптических последствий этих процессов. Получение количественной информации об этих характеристиках и их зависимостей от параметров лазерного воздействия, для создания полуэмпирической модели светоиндуцированного взрыва водного аэрозоля.
Построение прогностической и оперативной моделей эффективности распространения излучения в атмосфере на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных исследований взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с аэрозолем.
Разработка физических основ использования нелинейно-оптических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с аэрозолем для диагностики микрофизических свойств аэрозоля и структуры лазерных пучков повышенной интенсивности с использованием оптического и акустического зондирования.
Исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем.
Исследование особенностей филаментации сфокусированных лазерных пучков.
Исследование трансформации спектральных характеристик излучения фемтосекундных лазерных импульсов при филаментации.
Исследование трансформации пространственного перераспределения энергии в поперечном сечении лазерного импульса при его филаментации.
Исследование филаментации лазерных импульсов пико и фемтосе-кундной длительности в атмосфере в режиме частотной модуляции импульса.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Физическим содержанием полуэмпирической модели лазерно-индуцированного фазового взрыва жидкости в капельной форме является зависимость времени взрыва капель, степени испарения и степени дробления частиц аэрозоля при взрыве от скорости выделения теплоты в материале частицы. Энергетический порог полного разрушения поглощающих капель в поле микросекундных лазерных импульсов возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева.
-
При распространении мощного импульсного излучения СОг-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения. Разработанная на основе сопоставительного анали-
за лабораторных и натурных экспериментов эмпирическая модель, позволяет осуществлять прогноз эффективности транспортировки лазерной энергии.
-
При взаимодействии мощных лазерных импульсов фемтосе-кундной длительности с жидкокапельным аэрозолем из слабопоглощаю-щих микрочастиц реализуется поглощение излучения в веществе частиц превышающее поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава, аэрозольная среда (с концентрацией частиц в диапазоне 103 -107 см"3) для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.
-
Экспериментами по фокусировке фемтосекундного лазерного импульса в нелинейную воздушную среду установлено значительно большее увеличение угловой расходимости пучка, после прохождения им фокуса, чем предсказывают модели керровской нелинейности. Эмпирические данные послужили основой для оптической модели взаимодействия ост-росфокусированных ультракоротких лазерных импульсов с воздухом. Ширина и смещение максимума свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации определяются эффективной длиной филамента.
5. Разработанная методика совместной регистрации оптического и
акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных ла
зерных импульсов с веществом атмосферы позволяет определять энергети
ческие пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения
поглощательных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазер
ных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, опре
делять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натур
ных и лабораторных экспериментов.
Достоверность научных результатов
Достоверность результатов и выводов подтверждается: методической проработкой регистрации и обработки оптических и акустических сигналов;
корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;
использованием в качестве приемников оптических и акустических сигналов сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов;
статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями;
совпадением результатов, полученных в настоящей работе с использованием независимых экспериментальных методик, совпаде-
ниєм результатов, полученных в настоящей работе с результатами других работ, для частных случаев совпадения условий экспериментов;
соответствием полученных экспериментальных данных результатам модельных теоретических расчетов, проведенных другими авторами.
Научная новизна результатов
-
Впервые определен и измерен набор основных характеристик процесса взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц различной микроструктуры при воздействии лазерного излучения: энергетический порог взрыва, время взрыва, степень испарения, степень дробления.
-
Экспериментально исследованы закономерности формирования акустического сигнала от аэрозоля с различной микроструктурой и от одиночных частиц различного размера. На основе впервые измеренных зависимостей амплитуды акустического отклика на лазерно-индуцированные фазовые переходы в частицах от размера частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения установлены значения величин порогов взрыва и разрушения частиц.
-
По полученным из оптических и акустических измерений значениям порогов взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц при взрывном вскипании, впервые установлена зависимость величины данных порогов от размера частиц и скорости нагрева их лазерным излучением.
-
На основе полученных данных из оптических и акустических измерений последствий взрывного вскипания и разрушения полидисперсного водного аэрозоля и одиночных частиц различного размера построена модель взрыва водного аэрозоля произвольной микроструктуры в поле импульсного лазерного излучения, позволяющая проводить оценку пропускания аэрозольной среды, сформированной при прохождении лазерного импульса.
-
Установлено, что совместная регистрация оптических и акустических последствий взрыва аэрозольных частиц в поле лазерного импульса могут быть использованы для дистанционного бесконтактного восстановления распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка повышенной интенсивности и концентрации аэрозольных частиц.
-
На основе экспериментальных исследований временных характеристик акустического отклика при различных режимах взаимодействия лазерного излучения с малым объемом жидкости установлено, что форма акустического импульса зависит от режима взаимодействия лазерного излучения с веществом.
-
На основе проведенного сопоставительного анализа данных по энергетическому ослаблению пучка излучения импульсного СОг-лазера на
горизонтальных приземных трассах и результатов лабораторных исследований по взаимодействию такого излучения с дисперсными средами предложена модель прогноза энергетического ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях.
-
Экспериментально установлено, что при распространении фем-тосекундных импульсов в аэрозоле происходит увеличения поглощенной энергии фемтосекундного импульса в сравнении с импульсами наносе-кундной длительности до двух порядков за счет реализации нелинейно-оптических эффектов в веществе частиц. При этом впервые установлено, что ослабление фемтосекундных импульсов водным аэрозолем в диапазоне концентраций частиц 103 - 107 см"3 можно считать квазилинейным.
-
Впервые в России проведены измерения акустическим методом размера области филаментации фокусированного лазерного тераваттного гауссова пучка и положения нелинейного фокуса.
10. Экспериментально установлено, что увеличение дефокуси-
рующих свойств образующегося в канале лазерного пучка плазменного
сгустка приводит к повышению угловой расходимости световой волны по
сле нелинейного фокуса, что выражается в появлении колец, формирую
щихся в результате интерференции светового поля, прошедшего локальный
нелинейный фокус, и поля на периферии пучка.
-
Измерено уширение спектрального контура излучения суперконтинуума, происходящее при филаментации исходного пучка. При этом изменяется не только полуширина спектрального распределения, но и его форма, которая приобретает значительно более выраженное «синее» крыло. Данный факт свидетельствует об ионизации газа и возникновении в канале лазерного пучка плазмы. Впервые установлена количественная связь смещения центра тяжести спектрального контура излучения в коротковолновую область и величина полуширины спектрального контура с протяженностью зоны филаментации.
-
Впервые в России проведены исследования филаментации кол-лимированного лазерного пучка на атмосферной трассе. Показано, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе, а следовательно и спектральный состав суперконтинуального свечения, эффективно управляется энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.
Научная и практическая значимость
Результаты, полученные в работе, расширяют и углубляют представления о физике процессов взаимодействия интенсивных лазерных пучков с конденсированным веществом в дисперсном состоянии при реализации фазовых переходов в веществе частиц. Полученные количественные экспериментальные данные об изменении микрофизических свойств аэро-
золя в канале распространения лазерного пучка позволяют моделировать наиболее эффективные, с точки зрения передачи энергии, характеристики лазерных систем, работающих в реальной атмосфере при ее различных метеорологических состояниях. Полученные данные о трансформации спектральных и пространственных характеристик ультракоротких лазерных импульсов при их распространении в атмосфере позволили уточнить теоретические модели взаимодействия мощных импульсов с веществом атмосферы. Материалы, представленные в диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов №95031, №1498, №П367, №РИ-16.0/019, №02.740.11.0083, № 217/3, №256, №6512, работа поддерживалась грантами РФФИ №03-05-64228, №03-05-64431, №98-05-78009, №06-05-64799, №06-05-96962-р-офи, №09-05-00738-а, CRDF №PRO-1390-TO-03, программами 2.9 отделения физических наук РАН, №12 Президиума СО РАН.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на 8-ом Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск 1984 гг.; 8-ом и 11-ом Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск - 1986 и 1992 гг.; на 1 -16 Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009 гг., Иркутск - 2001 г., Красноярск - 2008 г.; 3-ем Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск - 1985 г.; 19-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград - 1984 г.; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск 1987 г.; XV Всесоюзн. конф. «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем», Одесса, 1989 г.; Российской аэрозольной конференции, Москва, 1993 г.; Topical Meeting on Atmospheric, Volume and Surface Scattering and Propogation, Florence, Italy 1991 г.; 4-ом рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск, 1996 г.; International Conf. LASER-95, Charleston 1995г.; Electromagnetics researh Symp., Seattle 1995 г.; International Forum on Advenced high power laser and applications AHPLA'99 Osaka, Japan, 1999 г.; заседании 9 рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск, 2002 г.; 6th Intern. Conf. "Atomic and molecular pulsed lasers", Tomsk, 2003, 2005, 2007, 2009 гг.; International Conference "Lasers Material Interaction", St.-Petersburg, 2003 г.; XV сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород, 2004, 2007 гг., International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), St. Petersburg, (Invited talk) 2005, 2007 гг., International Conference on Quan-
turn Electronics and the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (IQEC/CLEO-PR), Toshi Center Kaikan, Tokyo, Japan 2005 г., на VII Международной конференции «Лазерная физика и оптические технологии» 17-19 июня, Минск, Беларусь, 2008 г., на XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008 г., на International Conference "Laser Optics 2008" St. Petersburg, Russia, 2008 г., 5 International Symposium "Modern Problem of Laser Physics" MPLP'2008, Novosibirsk, 2008 г., VI Всероссийской отраслевой научно-технической конференции «Проблемы создания лазерных систем», ЗАТО г. Радужный, 2008 г., VIII Международном симпозиуме по радиационной плазмодинами-ке, г. Москва, 2009 г.
Материалы диссертации изложены в 145 работах, в том числе 4 монографиях, 3 учебных пособиях, 46 статьях, из них 24 в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 авторских свидетельствах на изобретение.
Личный вклад автора
Диссертационная работа явилась результатом 25-летней исследовательской работы автора, которая заключалось в постановке задач, разработке методик и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов.
Объем и структура работы
