Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время быстро развивается
область физики, связанная с получением мощного сверхкороткого
лазерного излучения и изучением его взаимодействия с
различными средами. При фокусировке высокоинтенсивного
импульса в газ пиковое значение электрического поля может быть
порядка атомного и значения или даже превышать его.
Взаимодействие высокоинтенсивного излучения с атомами
является сильно нелинейным, и могут возникать такие эффекты
как сверхуширение частотного спектра импульса, генерация
гармоник высокого порядка, самоканалирование импульса в
самонаведенной лазерной плазме. Недавно обнаружено
образование каналов излучения в атмосферном воздухе длиной до
нескольких метров. Интерес к изучению этих явлений связан с их
использованием для создания мощных, сверхбыстрых источников
когерентного излучения в спектральных диапазонах, которые на
данный момент не доступны высокоинтенсивным лазерам, в
частности рентгеновского излучения. Самоканалирование
субпикосекундных лазерных импульсов в воздухе может найти
практическое применение для искуственного снятия
электрического заряда в атмосфере.
Составной частью исследований взаимодействия мощного
лазерного импульса со средой является анализ его формы и
спектра в процессе распространения. За последние несколько лет
выполнен ряд новых экспериментов с мощными сверхкороткими
лазерными импульсами в газах. К ним относятся как эксперименты
по трансформации спектра импульса, так и исследования
пространственно-временного распределения излучения мощных
терраваттных лазеров с целью получения сверхвысоких
интенсивностей порядка 10,s —10 Вт/см2 в газах атмосферной
плотности. В ряде экспериментов наблюдалось релятивистское
самоканалирование лазерного импульса в самонаведенной плазме.
Надо заметить, что одним из основных факторов, препятствующих
достижению сверхвысоких интенсивностей, является
дефокусировка пучка, которая практически всегда сопровождает распространение мощного импульса в условиях нелинейной ионизации в газе атмосферной плотности.
В настоящее время нет достаточно полного физического
обоснования наблюдаемых эффектов самовоздействия
сверхкоротких лазерных импульсов. Разработанные теоретические модели столкнулись с серьезными трудностями, более того, ни одна из них не является достаточно универсальной.
Цель настоящей работы состоит в теоретическом исследовании трансформации спектральных, пространственных и временных характеристик субпикосекуидного лазерного импульса высокой интенсивности при распространении в газах в условиях керровской и плазменной нелинейностей. Работа направлена на построение и обоснование физических моделей нелинейно-оптического взаимодействия мощных лазерных импульсов с газовыми средами, описывающих эффекты фазовой самомодуляции импульса, нелинейного искажения профиля пучка, вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР).
В работе методами вычислительного эксперимента решена трехмерная нестационарная задача о распространении импульсов
длительностью 100 фс - 1 пс и интенсивностью 1013 -1016 Вт/см2 в воздухе и инертных газах при давлении 1-5 атм. Результаты вычислительного эксперимента позволяют объяснить современные эксперименты по фокусировке мощного лазерного излучения субпикосекундной длительности. Научная новизна.
-
Впервые исследована трехмерная нестационарная задача о самовоздействии субпикосекуидного лазерного импульса интенсивностью 101 -10 Вт/см в газах в условиях совместного влияния керровской и плазменной нелинейностей при ионизации, индуцированной сильным полем излучения. На основе предложенной модели без подгоночных параметров получено количественное соответствие экспериментальных и расчетных спектров субпикосекуидного лазерного импульса, распространяющегося в инертных газах.
-
Показано, что при фокусировке мощного субпикосекуидного импульса в газ атмосферной плотности максимальная интенсивность, достигаемая в газе, может быть в 5-^-25 раз меньше вакуумной вследствие нелинейной дефокусировки в самонаведенной лазерной плазме.
3. Установлено возникновение пространственно-временной
неустойчивости излучения, развивающейся в инертных газах
атмосферной плотности вследствие совместного воздействия
эффектов дифракции и динамической нелинейной рефракции в
самонаведенной плазме. Характерным признаком формирования
неустойчивости является образование большого числа колец в
поперечном профиле пучка. Уширение спектра в условиях
пространственно-временной неустойчивости существенно
неоднородно в поперечном сечении пучка.
4. Построена модель ВКР на электронных колебаниях лазерной
плазмы субпикосекундного импульса. Показано, что
неоднородность наведенной плазмы существенно ослабляет
интенсивность стоксова импульса (примерно в 1000 раз при
изменении плотности плазмы на 15% вдоль направления
распространения). Продемонстрировано, что ВКР в неоднородной
плазме, несмотря на слабое усиление, может давать существенный
вклад в пьедестал спектра субпикосекундного лазерного импульса.
Дана оценка этого вклада.
Практическая ценность работы.
-
Сравнение спектров импульса, полученных в численных расчетах, с экспериментальными позволяет сделать вывод о нелинейных процессах, происходящих в среде. Спектры импульса, распространяющегося в условиях ионизации, могут быть использованы для диагностики субпико- и фемтосекундной лазерной плазмы.
-
Построенная модель распространения импульса позволяет получить пространственно-временное распределение интенсивности в газе в условиях реального эксперимента. Такая информация необходима при создании лазерных установок, составной частью которых является прохождение мощного импульса через газ или воздух. В частности, знание распределения интенсивности в условиях ионизации необходимо для оценки эффективности генерации гармоник высокого порядка в благородных газах и анализа возможности получения релятивистских интенсивностей.
3. На основе построенной модели возможен численный анализ
прикладных задач атмосферной нелинейной оптики сверхкороткого
лазерного излучения, в частности, исследование условий формирования протяженных каналов лазерной плазмы.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Распространение импульса интенсивностью 1013-1016 Вт/см2 в газах сопровождается сильным изменением его спектра и пространственно-временной структуры вследствие совместного влияния керровской нелинейности и ионизации среды. Керровская нелинейность и многофотонная ионизация оказывают конкурирующее влияние на изменение параметров субпикосекундного лазерного импульса в воздухе. Симметричное уширение частотного спектра и самофокусировка пучка, вызванные керровской нелинейностью при интенсивности около 1013 Вт/см2, сменяются сдвигом "центра тяжести" спектра в высокочастотную область и дефокусировкой пучка с возрастанием вклада многофотонной ионизации при интенсивности порядка 10й Вт/см2. При увеличении интенсивности до 1015 - 1016 Вт/см2 туннельная и многофотонная ионизация инертных газов приводит к сильным нелинейным искажениям частотного спектра и пространственно-временного распределения излучения, развивающимся в перетяжке сильно сфокусированного пучка. В спектре импульса формируется коротковолновое крыло.
-
Нестационарная нелинейная рефракция пучка в самонаведенной плазме выражается в аберрационной кольцевой структуре пучка, при которой минимум интенсивности в начале импульса сменяется максимумом в его конце. С ростом давления, а также в газах с меньшим потенциалом ионизации, аберрационные искажения пучка и уширение частотного спектра увеличиваются.
-
При распространении импульсов энергией 1-10 мДж в инертных газах атмосферной плотности развивается пространственно-временная неустойчивость светового поля, вызванная совместным воздействием эффектов дифракции и нестационарной нелинейной рефракции в самонаведенной плазме. Сходимость излучения из периферии сфокусированного пучка и нелинейная дефокусировка в приосевой области приводят к формированию сложного профиля пучка в виде узкого керна и системы аберрационных колец. Уширение спектра существенно неоднородно в поперечном сечении
и может достигать 100 нм на периферии и 60 нм на оси пучка по уровню 10~4 -И0"" от максимальной интенсивности.
-
ВКР в самонаведенной плазме субпикосекундного лазерного импульса приводит к образованию пьедестала в частотном спектре импульса на уровне 10" +10~4 от максимальной интенсивности. Инкремент усиления стоксова излучения резко уменьшается с увеличением неоднородности плазмы.
-
Теоретическая интерпретация экспериментальнах данных о распространении высокоинтенсивных субпикосекундных лазерных импульсов в газах возможна только на основе самосогласованной трехмерной нестационарной задачи о самовоздействии излучения в условиях керровской нелинейности и ионизации среды.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на III Всероссийском семинаре "Динамика волновых явлений и солитоны" (Красновидово, 20-23 мая 1992 г.), на VII Международной конференции "Оптика лазеров" (С.Петербург, 21-25 июня 1993 г.), на II Международном семинаре по лазерной физике (Volga Laser Tour, 27 июня - 4 июля 1993 г.), на VII Международной конференции по коротковолновому излучению и приложениям (Звенигород, 29 августа - 2 сентября 1994 г.), на совместном заседании XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике и VIII Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 24 июня - 1 июля 1995г.), на IV семинаре НАТО по взаимодействию мощного лазерного излучения с веществом (NATO workshop SILAP IV, Moscow, Volga 4-9 августа 1995 г.). Результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ, на семинаре "Многофотонные процессы" в ИОФАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 4 - тезисы докладов. Список работ приведен в конце автореферата.
"Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 137 страниц и включает в себя 40 рисунков и список литературы из 100 наименований.
