Том 39, номер 03, статья № 3

Аннотация:

Одно из направлений исследований в нелинейной оптике мощного ультракороткого лазерного излучения – лазерная атмосферная филаментация. В последние годы быстро развиваются новые подходы к изучению этого явления и к практическому использованию полученных результатов. Например, подход, основанный на варьировании давления в среде распространения мощных фемтосекундных лазерных импульсов, позволяет масштабировать результаты, полученные в лабораторных условиях, для прогнозирования распространения излучения на реальных протяженных атмосферных трассах. В настоящей работе представлены результаты численных исследований распространения мощных фемтосекундных импульсов титан-сапфирового лазера при их филаментации в воздухе при различном давлении. Такой барометрический подход позволяет спрогнозировать формирование нелинейного фокуса при самофокусировке, образование области филаментации и постфиламентов на реальных атмосферных трассах протяженностью в сотни метров. Это возможно благодаря законам масштабирования, связывающим давление в среде распространения с начальными параметрами мощных ультракоротких лазерных импульсов. Результаты лабораторных исследований в условиях повышенного давления на расстояниях в несколько метров масштабируются на протяженные воздушные трассы длиной в сотни метров при атмосферном давлении. Численное моделирование в рамках данной работы проводилось на основе редуцированного (интегрированного по времени) нелинейного уравнения Шредингера для огибающей оптического поля при распространении мощных фемтосекундных импульсов титан-сапфирового лазера в условиях 16-кратного изменения давления воздуха. Детально рассмотрено формирование многофокусной структуры области филаментации, которое особенно выражено в этих условиях. Полученные результаты могут быть полезны для прогнозирования распространения мощного фемтосекундного лазерного излучения на реальных атмосферных трассах протяженностью в сотни метров и более, что актуально для задач дистанционной диагностики компонент атмосферы и доставки энергии на большие расстояния.

Ключевые слова:

фемтосекундный лазерный импульс, нелинейный фокус, самофокусировка, филаментация, газ повышенного давления, структура лазерного пучка

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Аскарьян Г.А. Воздействие градиента поля интенсивного электромагнитного луча на электроны и атомы // Журн. экспериментальной и теоретической физики. 1962. Т. 42, № 6. С. 1567–1570.
2. Chiao R.Y., Garmire E., Townes C.H. Self-trapping of optical beams // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13, N 15. P. 479–482.
3. Луговой В.Н., Прохоров А.М. О возможном объяснении мелкомасштабных нитей самофокусировки // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 7, № 5. С. 153–155.
4. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде // Успехи физ. наук. 1967. Т. 93, вып. 3. С. 19–70.
5. Захаров В.Е., Мастрюков А.Ф., Сынах В.С. О самофокусировке волновых пакетов в нелинейных средах // Квант. электрон. 1976. Т. 3, № 12. С. 2557–2561.
6. Коробкин В.В., Прохоров А.М., Серов Р.В., Щелев М.Я. Нити самофокусировки как результат движения фокальных точек // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 11, № 3. С. 153–157.
7. Таланов В.И. О самофокусировке электромагнитных волн в нелинейных средах // Изв. вузов. Радиофиз. 1964. Т. 7, № 3. С. 564–565.
8. Пилипецкий Н.Ф., Рустамов А.Р. Наблюдение самофокусировки света в жидкостях // Письма в ЖЭТФ. 1965. Т. 2, № 2. С. 88–90.
9. Чекалин С.В., Кандидов В.П. От самофокусировки световых пучков – к филаментации лазерных импульсов // Успехи физ. наук. 2013. Т. 183, № 2. С. 133–152. DOI: 10.3367/UFNr.0183.201302b.0133.
10. Self-focusing: Past and Present. Fundamentals and Prospects / R.W. Boyd, S.G. Lukishova, Y.R. Shen (eds.). Berlin: Springer, 2009. 605 р.
11. Braun A., Korn G., Liu X., Du D., Squier J., Mourou G. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air // Opt. Lett. 1995. V. 20, N 1. P. 73–75. DOI: 10.1364/OL.20.000073.
12. Nibbering E.T.J., Curley P.F., Grillon G., Prade B.S., Franco M.A., Salin F., Mysyrowicz A. Conical emission from self-guided femtosecond pulses in air // Opt. Lett. 1996. V. 21, N 1. P. 62–64. DOI: 10.1364/ol.21.000062.
13. Brodeur A., Chien C.Y., Ilkov F.A., Chin S.L., Kosareva O.G., Kandidov V.P. Moving focus in the propagation of ultrashort laser pulses in air // Opt. Lett. 1997. V. 22, N 5. P. 304–306. DOI: 10.1364/OL.22.000304.
14. Mlejnek M., Wright E.M., Moloney J.V. Dynamic spatial replenishment of femtosecond pulses propagating in air // Opt. Lett. 1998. V. 23. P. 382–384. DOI: 10.1364/OL.23.000382.
15. Киняевский И.О., Корибут А.В., Данилов П.А., Кудряшов С.И. Самофокусировка и фазовая самомодуляция сфокусированного фемтосекундного лазерного луча в плавленом кварце при около критической мощности // Письма в ЖЭТФ. 2024. Т. 119, вып. 1. С. 9–15. DOI: 10.31857/S1234567824010038.
16. Couairon A., Mysyrowicz A. Femtosecond filamentation in transparent media // Phys. Rep. 2007. V. 441. P. 47–189. DOI: 10.1016/j.physrep.2006.12.005.
17. Кандидов В.П., Шленов С.А., Косарева О.Г. Филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения // Квант. электрон. 2009. Т. 39, № 3. С. 205–228. DOI: 10.1070/QE2009v039n03ABEH013916.
18. Kompanets V.O., Shipilo D.E., Nikolaeva I.A., Panov N.A., Kosareva O.G., Chekalin S.V. Nonlinear enhancement of resonance absorption at the filamentation of a mid-infrared pulse in high-pressure gases // JETP Lett. 2020. V. 111. P. 31–35. DOI: 10.1134/S002136402001012.
19. Li S., Yu M., Cai X., Zhang H., Jin M., Wu J. Energy transmittance of focused femtosecond pulses at different air pressures // Optoelectron. Lett. 2023. V. 19, N 10. P. 605–613. DOI: 10.1007/s11801-023-3037-6.
20. Geints Y.E. Pressure scaling of femtosecond laser filamentation in air: Prospects for long-range atmospheric propagation // Optics Commun. 2024. V. 573. P. 131007. DOI: 10.1016/j.optcom.2024.131007
21. Geints Y.E., Bulygin A.D., Kompanets V.O., Chekalin S.V. Supercontinuum saturation of a femtosecond laser filament in pressurized gases // Opt. Lett. 2024. V. 49, N 21. P. 6033–6036. DOI: 10.1364/OL.539885.
22. Berge L., Skupin S., Lederer F., Méjean G., Yu J., Kasparian J., Salmon E., Wolf J.-P., Rodriguez M., Woste L., Bourayou R., Sauerbrey R. Multiple filamentation of terawatt laser pulses in air // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. P. 225002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.225002.
23. Geints Y.E., Zemlyanov А.А. Dynamics of femtosecond synthesized coronary profile laser beam filamentation in air // J. Opt. 2021. V. 23, N 10. P. 105502. DOI: 10.48550/arXiv.2012.09361.
24. Geints Yu.E., Minina O.V., Geints I.Yu., Seleznev L.V., Pushkarev D.V., Mokrousova D.V., Rizaev G.E., Shipilo D.E., Nikolaeva I.A., Kurilova M.V., Panov N.A., Kosareva O.G., Houard A., Couairon A., Ionin A.A., Liu W. Nonlinear propagation and filamentation on 100 meter air path of femtosecond beam partitioned by wire mesh // Sensors. 2022. V. 22, N 17. Р. 1–13. DOI: 10.3390/s22176322.
25. Geints Yu.E., Minina O.V., Zemlyanov A.A. Self-channeling of spatially modulated femtosecond laser beams in the post-filamentation region // J. Opt. Soc. Am. B. 2022. V. 39, N 6. P. 1549–1556. DOI: 10.1364/JOSAB.453694.
26. Geints Yu.E., Minina O.V., Mokrousova D.V., Pushkarev D.V., Rizaev G.E., Seleznev L.V. Manipulation of femtosecond laser filamentation by wire mesh amplitude mask // Opt. Commun. 2023. V. 543. P. 129595(1–10). DOI: 10.1016/j.optcom.2023.129595.
27. Переломов А.М., Попов В.С., Терентьев М.В. Ионизация атомов в переменном электрическом поле // ЖТЭФ. 1966. Т. 50. С. 1393–1397.
28. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Характеристики филаментов при распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе и в воде: I. Качественный анализ // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 9. С. 749–756; Geints Yu.E., Zemlyanov A.A. Characteristics of filaments during high-power femtosecond laser radiation propagation in air and water: I. Qualitative analysis // Atmos. Ocean. Opt. 2011. V. 24, N 2. P. 144–151.
29. Гейнц Ю.Э., Минина О.В. Структурированная филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения при модуляции амплитудными сетчатыми масками // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 1. С. 32–40. DOI: 10.15372/AOO20240104; Geints Yu.E., Minina O.V. Structured filamentation of high-power femtosecond laser radiation modulated by amplitude mesh masks // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 2. Р. 183–191.
30. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Минина О.В. Дифракционно-лучевая оптика филаментации: I. Формализм дифракционных лучей и световых трубок // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 364–371. DOI: 10.15372/AOO20180505; Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Minina O.V. Diffraction-beam optics of filamentation: I–Formalism of diffraction beams and light tubes // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 611–618.
31. Méchain G., Couairon A., André Y.-B., D’Amico C., Franco M., Prade B., Tzortzakis S., Mysyrowicz A., Sauerbrey R. Long-range self-channeling of infrared laser pulses in air: A new propagation regime without ionization // Appl. Phys. B. 2004. V. 79, N 3. P. 379–382. DOI: 10.1007/s00340-004-1557-8.
32. Daigle J.-F., Kosareva O.G., Panov N.A., Wang T.-J., Hosseini S., Yuan S., Roy G., Chin S.L. Formation and evolution of intense, post-filamentation, ionization-free low divergence // Opt. Commun. 2011. V. 284, N 14. P. 3601–3606. DOI: 10.1016/j.optcom.2011.03.077.
33. Апексимов Д.В., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К. Управление характеристиками множественной филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 9. С. 717–725. DOI: 10.15372/AOO20190905; Apeksimov D.V., Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K. Control of multiple filamentation of femtosecond laser pulses in air // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 1. Р. 42–50.
34. Землянов А.А., Булыгин А.Д., Гейнц Ю.Э., Минина О.В. Динамика световых структур при филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 5. С. 359–368. DOI: 10.15372/AOO20160501; Zemlyanov A.A., Bulygin A.D., Geints Yu.E., Minina O.V. Dynamics of light structures during filamentation of femtosecond laser pulses in air // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 5. P. 395–403. DOI: 10.1134/S1024856016050146.