ВВЕДЕНИЕ 4
1 ФИЛАМЕНТАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ 6
1.1 Принципы генерации лазерных импульсов сверхкороткой длительности.. 6
1.2 Филаментация лазерных пучков 8
1.2.1 Самофокусировка световых импульсов 8
1.2.2 Ионизация среды в поле лазерного импульса 10
1.2.3 Фазовая самомодуляция световой волны и генерация
суперконтинуального свечения 13
1.3 Обзор исследований филаментации лазерных импульсов в среднем ИК-
диапазоне 15
2 ДЕТЕРМИНИРОВАНИЕ ФИЛАМЕТАЦИОННЫХ КАНАЛОВ В
ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА С ПОМОЩЬЮ ДЕФОРМИРУЕМОГО ЗЕРКАЛА 26
2.1 Принцип действия биморфного зеркала 26
2.2 Управление областью филаментации при различных конфигурациях
элементов зеркала 28
2.3 Схема и методика эксперимента 30
3 ФИЛАМЕНТАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ВИДИМОГО И ИК
ДИАПАЗОНОВ В ЖИДКОСТИ С СИЛЬНОЙ КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ (082-сероуглерод) 39
3.1 Схема и методика проведения эксперимента 39
3.2 Экспериментальные исследования филаментации лазерных импульсов в
видимой и ИК-области 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 47
Явление филаментации лазерного излучения сопровождается рядом нелинейно-оптических эффектов, которые могут найти широкое применение в атмосферной оптике. Из-за сильной нелинейно-оптической трансформации импульса в результате керровской самофокусировки и дефокусировки на наведённой лазерной плазме спектр данного импульса обогащается, т.е. генерируется суперконтинуум. В реальных условиях импульсы, мощность которых превышает в десятки и сотни раз критическую мощность самофокусировки, распадаются на множество хаотичных филаментов, образуется область множественной филаментации. Управление положением области множественной филаментации является актуальной проблемой для решения задач фемтосекундной атмосферной оптики.
Основными задачами фемтосекундной атмосферной оптики являются такие задачи как: зондирование атмосферы с использованием
суперконтинуального свечения, транспортировка через атмосферу локализованной в области филаментации высокой интенсивности лазерного излучения, а также создание протяжённых ионизированных каналов в атмосфере. На данный момент к известным методам управления положением и размером области множественной филаментации на атмосферной трассе относится: пространственная фокусировка, временная фокусировка
(внесение частотной модуляции), изменение начального диаметра лазерного пучка, изменение начальной мощности импульса и коррекция фазового фронта.
Научный и практический интерес к средневолновому ИК-диапазону лазерной генерации связан с открывающимися перспективами в спектроскопии атмосферных газов и примесей, имеющих полосы поглощения в средней ИК-области, получению экстремально широкополосного источника когерентного излучения (ультрасуперконтинуума), простирающегося от УФ до средней ИК-области, в процессе нелинейной временной компрессии импульсов, формированию протяженных плазменных каналов для целей генерации излучения в терагерцовом диапазоне и передачи электричества, а также в ряде других приложений.
Целью данной выпускной работы бакалавра является подготовка и проведение экспериментов по детерминированию филаментационных каналов в поперечном сечении лазерного пучка при помощи деформируемого зеркала, исследование филаментации лазерных импульсов в видимой и ИК области спектра. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) подготовка и проведение экспериментов по детерминированию филаментационных каналов в поперечном сечении лазерного пучка при помощи деформируемого зеркала.
2) подготовка экспериментов и исследование филаментации в жидкости с сильной кубичной нелинейностью (CS2 -сероуглерод) лазерного излучения видимого и ближнего ИК диапазона.
3) обработка и анализ результатов экспериментов.
Отчет о выпускной квалификационной работе состоит из трёх глав. В первой главе изложены основы физических механизмов, совокупная реализация которых приводит к филаментации лазерных импульсов. Во второй главе представлены: схема, краткая методика и результаты эксперимента по детерминированию филаментационных каналов в поперечном сечении лазерного пучка при помощи деформируемого зеркала. В третьей главе представлены результаты по исследованию филаментации лазерных импульсов в видимой и ИК области спектра.
По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1) Использование деформируемой оптики позволяет не только управлять положением области множественной филаментации на трассе за счет искажений фазового фронта фемтосекундного лазерного импульса, но и детерминировать положение филаментации в поперечном сечении пучка.
2) Использование элементов адаптивной оптики позволяет получать
высокоинтенсивные (1012 Вт/см2), слаборасходящиеся (~12 мкрад),
широкоспектральные (650-950 нм) каналы протяжённостью ~100 м.
3) Фокусируя лазерное излучение сферическим зеркалом и направляя его в кювету с модельным веществом, наблюдалась область филаментации лазерного пучка в виде множественной мелкомасштабной самофокусировки пучка, приводящей к формированию множества протяженных треков диаметром десятки мкм, протяженностью ~ 3 см (в зависимости от мощности лазерных импульсов).
4) С увеличением энергии (мощности) импульса расстояние от фокусирующей линзы до начала области филаментации уменьшается, а протяженность области филаментации увеличивается.
5) Уширение спектра фс-импульса существенно больше, чем для нс импульса. Для нс импульса 532 нм наблюдается также пик стоксовой компоненты комбинационного рассеяния, амплитуда которого меньше амплитуды несущей волны. Уширения спектра для импульса 1562 нм после его филаментации не наблюдалось.
