Введение к работе
Актуальность
Уникальные свойства мощного фемтосекундного лазерного излучения указывают на перспективы использования фемтосекундных лазерных систем в атмосферных исследованиях. В списках проблем, которые предполагается решить с помощью фемтосекундных лазерных технологий в атмосфере, стоят такие, как оптическая связь, лазерный мониторинг природных и техногенных сред, молниезащита.
Определенный раздел данных исследований связан с изучением взаимодействия света ультракороткой длительности и высокой интенсивности с атмосферным капельным аэрозолем. Здесь возникает возможность возбуждения в жидких микрочастицах многофотонных нелинейных эффектов, таких как многофотонно-стимулированные флуоресценция и ионизация. Использование данных эффектов для целей диагностики химического состава аэрозолей представляется практически важным. Микрочастицы также являются перспективными объектами для ряда научных технологий: мно-гофотонно-возбужденная спектроскопия, Раман-спектроскопия, а также для оптоэлектроники.
Распространение мощного лазерного излучения сверхкороткой длительности в атмосфере сопровождается нестационарной самофокусировкой внутренних областей пучка, что приводит к последующему формированию тонкой структуры интенсивности лазерного излучения с характерными поперечными масштабами 75-150 мкм филаментации пучка [1]. Также возникают самофокусировка пучка в целом (глобальная самофокусировка) и последующая дефокусировка излучения. В атмосферной оптике актуальна задача установления универсальных соотношений для энергетических характеристик лазерных пучков фемтосекундной длительности, распространяющихся на различных трассах. Это дает возможность осуществить прогнозирование распространения фемтосекундных лазерных импульсов на различные дистанции, вплоть до дистанций, сравнимых с дифракционной длиной пучка, и управление нелинейной фокусировкой пучка. Одним из теоретических подходов, позволяющих решать такие задачи, а также интерпретировать экспериментальные данные, полученные в лабораторных либо натурных условиях при различных характеристиках лазерных пучков и условий на трассе распространения, является подход, основанный на исследовании эффективных характеристик лазерного излучения [2]. Таковыми характеристиками являются: коэффициент передачи энергии, среднеквадратический радиус пучка, эффективная угловая расходимость, эффективный радиус кривизны фазового фронта пучка (дистанция глобального фокуса лазерного пучка). С точки зрения данного подхода необходимо установить влияние тонкой структуры пространственного распределения интенсивности излучения на поведение его интегральных характеристик.
Другой актуальной задачей является исследование взаимодействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с жидкими частицами, содержащими активные молекулы. Здесь на первый план выходит изучение эффектов одно- и двухфотонно-возбужденной флуоресценции. Задача о ра-мановском рассеянии фемтосекундных лазерных импульсов каплями также требует своего решения. Для такого круга задач, т.е. задач, связанных с исследованиями нестационарных процессов светорассеяния каплями, необходим правильный выбор модели поляризации среды. Это становится возможным лишь с применением рассмотрения, основанного на статистическом подходе. Такой подход позволяет получить выражение для эффективного (интегрального по углам) дифференциального по спектру сечения рассеяния, как для спонтанных, так и для вынужденных процессов излучений.
Цель и задачи диссертации
Целью работы является теоретическое исследование интегральных характеристик оптических полей в условиях взаимодействия мощного фемто-секундного лазерного импульса с воздушной и капельной средами.
Задачами исследования являются следующие.
Установление взаимосвязи между тонкой структурой интенсивности лазерного излучения ультракороткой длительности, при его филаментации в воздухе, и эволюцией его эффективных характеристик в режиме одиночной филаментации.
Нахождение основных закономерностей эволюции эффективных характеристик мощного фемтосекундного лазерного импульса в воздухе, в режиме множественной филаментации.
Исследование эффективных характеристик нестационарного линейного неупругого рассеяния фемтосекундного лазерного излучения жидко-капельным аэрозолем, содержащим активные молекулы.
Разработка теоретической модели для эффективных характеристик явления двухфотонно-возбужденной флуоресценции активных молекул в капле при фемтосекундной лазерной накачке.
Научные положения, выносимые на защиту
При распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в режиме одиночной филаментации в воздухе величина эффективного радиуса лазерного пучка после прохождения им нелинейного фокуса возрастает с увеличением энергии, затраченной на образование плазмы и ее нагрев.
При взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного импульса, имеющего гауссов пространственный и временной профиль интенсивности, с воздухом в режиме оптической турбулентности, сохраняются основные закономерности самофокусировки, происходящей в условиях одиночной филаментации. Увеличение начальной пиковой мощности приводит к увели-
чению радиуса перетяжки в глобальном фокусе пучка, к росту эффективного коэффициента распространения, к уменьшению нелинейного фокусного расстояния.
Для фемтосекундного лазерного импульса, в отличие от стационарного излучения, существуют различия в реализации эффектов флуоресценции и Раман-рассеяния в каплях. Здесь Раман-эффект возможен лишь при наличии входных резонансов светового поля на основной частоте. Так же как и в стационарном случае, перекрытие спектра излучения активных молекул, помещенных в каплю, со спектром такого резонатора обусловливает эффекты генерации в его модах.
При воздействии на каплю, содержащую молекулы флуорофора, мощного лазерного импульса фемтосекундной длительности механизм двухфо-тонного поглощения обеспечивает возможность развития суперфлуоресценции. Энергетический порог данного эффекта в капле возрастает с увеличением длительности лазерного импульса и уменьшением размера микрочастицы-резонатора.
Достоверность
Достоверность результатов подтверждается их физической непротиворечивостью и согласованностью с физическими представлениями о взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного излучения с воздушными средами и прозрачными частицами, содержащими активные молекулы. Полученные в работе аналитические соотношения находятся в хорошем соответствии с результатами численных расчетов, проведенных другими авторами, и существующими экспериментальными данными. Оценки порогов различных эффектов, полученные в данной работе, находятся также в удовлетворительном соответствии с известными экспериментальными данными.
Новизна результатов
Впервые, на основе модели филаментации как последовательности локальных фокусов, найдены соотношения, позволяющие однозначно определять эволюцию эффективного радиуса мощного фемтосекундного лазерного излучения после прохождения им глобального фокуса, через граничные условия и значения коэффициента передачи световой энергии.
Для изучения распространения мощного фемтосекундного лазерного импульса в режиме оптической турбулентности впервые применен подход описания процесса на основе уравнения для функции Вигнера. Данное уравнение получено на основе стохастического нелинейного уравнения Шредингера с использованием многофокусной модели филаментации.
В приближении гауссова профиля интенсивности во времени и пространстве впервые установлены основные закономерности в эволюции эффективных параметров мощного фемтосекундного лазерного излучения, распространяющегося в воздушной среде в режиме множественной филаментации.
Выявлено, что увеличение начальной мощности приводит к увеличению радиуса перетяжки и эффективного коэффициента распространения, а также к уменьшению дистанции до начала глобальной самофокусировки.
На основе метода теории открытых резонаторов исследованы флуоресценция и рамановское рассеяние активных молекул из сферической микрочастицы в стационарном и нестационарном режимах возбуждения. Впервые найдены аналитические выражения для временных и спектральных характеристик внутреннего светового поля, сформировавшегося при неупругом рассеянии внутри резонатора, в различных режимах возбуждения. Получены выражения для эффективного (интегрального по углам) дифференциального сечения рассеяния, при стационарном и нестационарном режимах взаимодействия лазерного излучения с каплей, содержащей активные молекулы.
При исследовании взаимодействия лазерного излучения с активными молекулами, помещенными в открытый сферический микрорезонатор в режиме вынужденного излучения, впервые установлено, что величина энергетического порога суперфлуоресценции в фокусе капли прямо пропорциональна квадратному корню из длительности импульса и обратно пропорциональна величине отношения интенсивности в фокусе капли к интенсивности падающего лазерного излучения.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований расширяют представления о физике взаимодействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с воздушной и капельной средами. Практическая сторона работы связана с развитием физических основ методов диагностики эволюции эффективных параметров лазерных пучков в атмосфере. Результаты, полученные при изучении нестационарного неупругого рассеяния в дисперсной среде, представляют практический интерес для разработчиков методов дистанционной диагностики химического состава аэрозолей в атмосфере. Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для областей лазерной физики, связанных с разработкой микролазеров и элементов оптоэлектроники.
Апробация результатов работы
По результатам работы опубликованы 5 научных статей в рецензируемых журналах «Оптика атмосферы и океана», «Известия вузов. Физика», а также 9 тезисов докладов в сборниках различных конференций, включая сборники международных конференций.
Основные результаты диссертации докладывались на международных симпозиумах: XIII International Symposium «Atmospheric and Oceanic Optics. Atmospheric Physics». Tomsk: IAO SB RAS. 2006; XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics». Buryatiya, 2007;
XV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics». Krasnoyarsk, 2008; на Седьмой Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды». 2008; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии». Томск, 2009; IX Международном симпозиуме по фотонному эху и когерентной спектроскопии (ФЭКС-2009). Казань, 2009; 13 Международной молодежной научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия». Казань, 2009; XVI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Томск, 2009.
Личный вклад автора
Результаты данной диссертации были получены в ходе совместной работы автора с научным руководителем и другими соавторами (см. список публикаций в конце автореферата). При определяющем участии автора были сформулированы модели изучаемых в данной диссертации физических процессов, самостоятельно проведены аналитические вычисления и частично численные расчеты. Автор принимал участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и их сопоставлении с экспериментальными наблюдениями, а также в подготовке и представлении статей и докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации
Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 128 страниц основного текста, включая 30 рисунков. Список литературы содержит 142 наименования.
