Панорамная визуализация частиц и полей в газовых средах поляризационными методами когерентного четырехволнового взаимодействия Акимов, Денис Александрович

Введение к работе

Актуальность исследования

Актуальной проблемой современного этапа исследований нелинейно-оптических взаимодействий в возбужденных и ионизованных газовых средах является диагностика нестационарных неоднородных плазменных сред, включая плазму оптического пробоя и электрического разряда. Для решения данной задачи требуется сочетание экспериментальных методик, позволяющих получать информацию об основных параметрах среды с минимальным временем усреднения. Накопленный к настоящему времени арсенал средств техники, основанной на использовании когерентных четырехволновых взаимодействий (ЧВВ), включающий когерентную спектрохронографию и эллипсометрию, а также построение изображеїшй пространственных распределений физических параметров среды с использованием нелинейно-оптических методов, позволяет успешно решать подобные задачи.

Научный интерес к плазме оптического пробоя во многом связан с задачами исследования свойств возбужденных атомов и ионов в сильных световых полях, перспективами создания эффективных источников коротковолнового излучения и многочисленными приложениями лазерной плазмы. Высокие эффективности нелинейно-оптических взаимодействий в плазме оптического пробоя в значительной степени определяются возрастанием оптической нелинейности атомарной системы в условиях возбуждения. В связи с этим исключительно важным представляется использование методов нелинейной спектроскопии для экспериментального исследования временной динамики и пространственного распределения возбужденных атомарной и ионной компонент газовых и плазменных сред. Решение данной задачи осложняется характерной для плазменных сред интенсивной засветкой, высоким уровнем когерентного нерезонансного фона, сильным поглощением, существенным влиянием эффектов фазового рассогласования на определенных этапах разлета плазмы, а также неустранимыми флуктуациями плазменных параметров и сложностью интерпретации четырехфотонных спектров. Перспективным является обобщение

методов ЧВВ на случай использования широких пучков накачки, создающих панорамный, т.е. получаемый из протяженной области среды, сигнал ЧВВ.

Целью диссертации является развитие и использование методики пространственно-протяженного (панорамного) когерентного ЧВВ с резонансом гиперкомбинационного типа в широких пучках для исследования пространственного распределения концентрации возбужденных атомов в лазерной плазме, а также разработка нелинейно-оптического метода бесконтактного определения величины и направления постоянного электрического поля в газовых средах с помощью поляризационной схемы когерентного комбинационного рассеяния.

Основные задачи диссертации:

1. Экспериментальное исследование пространственных распределений возбужденных состояний атомов и ионов в плазме оптического пробоя, основанное на использовании поляризационной спектроскопии четырехволнового смешения с широкими пучками.

2. Обоснование и развитие метода двумерного отображения распределения относительных населенностей возбужденных состояний резонансных частиц в лазерной плазме при помощи когерентного четырехволнового смешения в широких пучках.

3. Разработка и демонстрация возможностей поляризационной техники когерентного комбинациошюго рассеяния (ККР) для локального бесконтактного измерения постоянного электрического поля в молекулярных газах.

4. Получение информации о виде тензора нелинейно-оптической восприимчивости и инвариантах тензора комбинационного рассеяния комбинационно-активных переходов молекул с целью оптимизации процедуры определения направления постоянного электрического поля.

Научная новизна результатов работы:

5. Экспериментально зарегистрирован панорамный одномерный сигнал ЧВВ с резонансом гиперкомбинационного типа из низкотемпературной лазерной плазмы. Определены условия, при которых панорамный сигнал ЧВВ отображает пространственное распределение резонансной компоненты вдоль линии взаимодействия пучков накачки.

6. Техника гиперкомбинационного когерентного ЧВВ в широких пучках впервые использована для получения карт пространственных распределений относительной населености возбужденных состояний атомов в лазерной плазме. Применение такой техники позволяет значительно повысить информативность диагностики многокомпонентной лазерной плазмы.

7. Предложена новая нелинейно-оптическая методика локального бесконтактного определения напряженности и направления постоянного электрического поля в молекулярных газах, основанная на поляризационной технике когерентного комбинационного рассеяния с участием постоянного электрического поля.

8. Показано, что степень надежности процедуры определения направления постоянного электрического поля существенно зависит от свойств симметрии перехода. На основе когерентного комбинационного рассеяния света с участием постоянного электрического поля предложен метод нахождения соотношений между инвариантами тензора комбинационного рассеяния.

Практическая ценность состоит в следующем:

1. Практическая значимость реализованного метода заключается в

возможности построения пространственного распределения концентрации за один лазерный импульс, что позволит производить наблюдение динамики распределения. Использование когерентного гиперкомбинационного четырехволнового взаимодействия с применением широких пучков значительно снижает количество измерений для создания двумерных пространственных распределений относительных концентраций резонансных компонент в лазерной

плазме по сравнению с техникой поточечных измерений. Применение такого метода позволяет достигнуть высокого пространственного разрешения и селективности, что открывает новые возможности для исследования быстропротекаюших пространственно неоднородных процессов в лазерной плазме.

2. Экспериментально продемонстрирована высокая эффективность и информативность когерентной четырехфотонной спектроскопии как метода практического исследования атомарной и ионной компонент плазмы оптического пробоя.

3. Предложенная и реализованная в работе поляризационная нелинейно-оптическая схема когерентного комбинационного рассеяния света с участием постоянного электрического поля может быть использована для локального бесконтактного измерения напряженности и определения направления постоянного электрического поля в молекулярных газах.

4. Благодаря поляризационным возможностям техники когерентного комбинационного рассеяния разработан и применен экспериментальный метод определения соотношений между инвариантами тензора комбинационного рассеяния с целью построения процедуры дистанционного нахождения направления постоянного электрического поля.

Основные защищаемые положения:

1. Развитая техника четырехволнового взаимодействия с резонансом гиперкомбинационного типа, использующая сфокусированные в линию пучки, позволяет регистрировать панорамный пространственно-протяженный одномерный сигнал когерентного ЧВВ из низкотемпературной лазерной плазмы (с электронной температурой порядка 1-20 эВ), создаваемой на поверхности твердой металлической мишени. Чувствительность техники невырожденного ЧВВ, использующей лазерные импульсы длительностью 15 не, при регистрации

одномерных распределений концентрации атомов свинца в реализованной

13 14 -3 экспериментальной схеме составляет 10 -10 см .

2. В экспериментально реализованной схеме нелинейной спектроскопии
лазерной плазмы распределение интенсивности в пространственно-протяженном
одномерном сигнале ЧВВ определяется пространственным профилем

возбужденных состояний атомов в области зондирования. Синхронный режим

взаимодействия волн накачки для перехода 7s Р q - 6р Р\ в атомах свинца

достигается на временах превышающих 1,2 мкс между созданием плазмы и ее

зондированием. Экспериментальная схема панорамной визуализации

пространственных распределений возбужденных атомов в некотором сечении

плазмы линия за линией качественно повышает информативность карт

пространственного распределения атомов в плазме по сравнению с техникой

поточечного построения. Созданная система фокусировки пучков накачки,

использующая цилиндрические линзы, обеспечивает возможность разрешения

элемента плазмы с размерами 680x14 мкм в плоскости, содержащей волновой

вектор сигнала и перпендикулярной плоскости мишени.

3. Нелинейно-оптическая методика измерений, основанная на
когерентном комбинационном рассеянии с участием постоянного
электрического поля, позволяет определять направление постоянного
электрического поля, а также дает информацию о соотношениях между
инвариантами тензора комбинационного рассеяния. Реализованная
экспериментальная методика с высокой степенью надежности определяет
направление постоянного электрического поля в молекулярном водороде на
переходе Q(l) (v= 0, J= 1 -» v= 1, ./= 1)в основном электронном состоянии

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995)

2. XV Европейском семинаре по КАРС (Шеффилд, Англия, 1996)

3. V Международном семинаре по лазерной физике (Москва, 1996)

4. XVI Европейском семинаре по КАРС (Гейдельберг, Германия, 1997)

5. Конференции по лазерам и электрооптике (Балтимор, США, 1997)

6. Российско-Германском лазерном симпозиуме (Новосибирск, 1997)

7. Международной конференции по квантовой электронике (Сан-Франциско, США, 1998)

8. XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1998)

9. Германо-Российском лазерном симпозиуме (Мюнхен, Германия, 1998)

10. Итало-Российском лазерном симпозиуме (Москва, 1999)

11. XVIII Европейском семинаре по КАРС (Фраскати, Италия, 1999)

12. Международной конференции молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 1999)

Список из 32 публикаций по материалам диссертации приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Автором разработан экспериментальный метод получения пространственных распределений возбужденных компонент лазерной плазмы на основе когерентного ЧВВ с гиперкомбинационными резонансами с применением широких лазерных пучков накачки. Автор участвовал в работе по модификации экспериментальных установок; совместно с коллегами развивал защищаемые экспериментальные методики, а также проводил все эксперименты, изложенные в оригинальных главах диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзорной главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 130 страниц включая 22 рисунка. Список цитированной литературы содержит 190 библиографических ссылок.

Похожие диссертации на Панорамная визуализация частиц и полей в газовых средах поляризационными методами когерентного четырехволнового взаимодействия

Многокомпонентный метод описания светового поля в средах с сильной анизотропией рассеяния применительно к задачам моностатического дистанционного зондированияПолонский, Игорь Николаевич

Поле лазерного пучка в рефракционно-неоднородных средах и методы восстановления его параметровАксенов, Валерий Петрович

Спекл-коррелометрия полного поля: методы и приложения в диагностике случайно-неоднородных средВиленский Максим Алексеевич

Квазиклассические методы в задачах взаимодействия атомных систем с лазерным излучениемСмирнова, Ольга Владимировна

Исследование состояний и спектров высокого разрешения молекул на основе новых методов в теории внутримолекулярных взаимодействийТютерев, Владимир Григорьевич

Ближнепольное взаимодействие атомных ансамблей в методах ближнепольной оптической микроскопии Кадочкин Алексей Сергеевич

Метод оптического пинцета для определения сил взаимодействия и микромеханических характеристик клетокХохлова Мария Дмитриевна

Исследование взаимодействия молекулярного водорода с германосиликатными стеклами и световодами на их основе методом комбинационного рассеяния света Малосиев Артур Ренатович

Исследование взаимодействия струи благородного газа в вакууме с лазерной плазмой и лазерным излучением методами спектроскопии МР диапазонаМедников Константин Николаевич

Эффекты вакуумного рождения частиц в сверхсильных полях в применении к лазерной физике и физике столкновений ультрарелятивистских тяжелых ионов Винник Дмитрий Викторович