Распространение филамента
Распространение филамента - в нелинейной оптике это распространение пучка света в среде без дифракции. Это возможно, из-за эффекта Керра, который вызывает изменение показателя преломления в среде, что приводит к самофокусировке луча. [1]
Следы нитевидного повреждения в стекле, вызванные лазерными импульсами, впервые были обнаружены М. Гершером в 1964 году. [2] Распространение лазерных импульсов в атмосфере накала наблюдалось в 1994 году Жераром Муру и его командой из Мичиганского университета. Баланс между самофокусирующей рефракцией и самопоглощающей дифракцией при ионизации и разрежении лазерного луча с тераваттной интенсивностью, создаваемого усилением чирпированного импульса, в атмосфере создает «нити», которые действуют как волноводы для луча, таким образом предотвращая расхождение. Альтернативные теории о том, что наблюдаемая светящаяся нить на самом деле была иллюзией, созданной аксиконическим (бесселевым) или движущимся фокусом вместо «волноводной» концентрации оптической энергии, были опровергнуты работниками Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1997 году. [3] Хотя для описания процесса филаментации были разработаны сложные модели, теория, предложенная Akozbek et al. [4] предоставляет полуаналитическое и простое для понимания решение для распространения сильных лазерных импульсов в воздухе.
Распространение филамента в полупроводниковой среде наблюдается в лазерах с вертикальной полостью и большой апертурой.
Фемтосекундная лазерная филаментация в газовых средах
[править | править код]Самофокусировка
[править | править код]Для самофокусировки нужна максимальная мощность лазера, превышающая критическую мощность (порядка гигаватт в воздухе [5] ), однако для инфракрасных (ИК) наносекундных импульсов с пиковыми мощностями, превышающими критическую мощность, самофокусировка невозможна. Многофотонная ионизация, обратное тормозное излучение и электронная лавинная ионизация являются тремя основными результатами взаимодействия газа и лазера. Последние два процесса являются взаимодействиями типа столкновений и требуют короткого времени для выполнения (пикосекунда - наносекунда). Наносекундный импульс достаточно длинный, чтобы вызвать пробой воздуха, прежде чем мощность достигнет порядка ГВт, необходимого для самофокусировки. При распаде газа образуется плазма, которая обладает поглощающим и отражающим эффектом, поэтому самофокусировка запрещена.
Распространение филамента в фотореактивных системах
[править | править код]Образование и распространение филаментов можно наблюдать в фотополимерных системах. Такие системы демонстрируют керровоподобную оптическую нелинейность за счет увеличения показателя преломления на основе фотореактивности. [6] Волокна образуются в результате самозахвата отдельных лучей или нестабильности модуляции широкого светового профиля. Распространение филамента наблюдалось в нескольких фотополимеризующихся системах, включая органосилоксан, [7] акрил, [8] эпоксид и сополимеры с эпоксидными смолами, [9] и смеси полимеров. [10] [11] Местами формирования и распространения "нити накала" можно управлять путем модулирования пространственного профиля входного светового поля. Такие фотореактивные системы способны производить филаменты из пространственно и временно некогерентного света, потому что медленная реакция реагирует на усредненную по времени интенсивность оптического поля, в результате чего фемтосекундные колебания размываются. Это похоже на фоторефракционные среды с не мгновенными откликами, которые обеспечивают распространение филамента при некогерентном или частично некогерентном свете. [12]
Потенциальные применения
[править | править код]Филаменты, превратившись в плазму, изменяют узкополосный лазерный импульс в широкополосный, имеют совершенно новый набор применений. Интересным аспектом плазмы, вызванной филаментацией, является ограниченная плотность электронов, что предотвращает оптический пробой. [13] Этот эффект является отличным источником для спектроскопии высокого давления с низким уровнем континуума, а также меньшим расширением линии. [14] Ещё одно потенциальное применение - ЛИДАР- мониторинг атмосферы. [15]
В июле 2014 года исследователи из Университета Мэриленда сообщили об использовании филаментных фемтосекундных лазерных импульсов в квадратном расположении для создания градиента плотности в воздухе, который действовал как оптический волновод, длящийся порядка нескольких миллисекунд. Первоначальные эксперименты показали усиление сигнала на 50% по сравнению с неуправляемым сигналом на расстоянии около 1 метра. [16]
Внешние ссылки
[править | править код]- Experiments Detail How Powerful Ultrashort Laser Pulses Propagate through Air
- Filamentation and Propagation of Ultra-Short, Intense Laser Pulses in Air
Примечания
[править | править код]- ↑ Rashidian Vaziri, M R. Describing the propagation of intense laser pulses in nonlinear Kerr media using the ducting model (англ.) // Laser Physics : journal. — 2013. — Vol. 23, no. 10. — doi:10.1088/1054-660X/23/10/105401. — .
- ↑ Hercher, M. Laser-induced damage in transparent media (англ.) // Journal of the Optical Society of America[англ.] : journal. — 1964. — Vol. 54.
- ↑ Xhao. CLEO '97., Summaries of Papers Presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics (англ.). — 1997. — Vol. 11. — ISBN 0-7803-4125-2.
- ↑ N Aközbek, CM Bowden, A Talebpour, SL Chin, Femtosecond pulse propagation in air: Variational analysis, Phys. Rev. E 61, 4540–4549 (2000)
- ↑ Chin, S.L. Advances in intense femtosecond laser filamentation in air (англ.) // Laser Physics : journal. — 2012. — Vol. 22, no. 1. — P. 1—53. — doi:10.1134/S1054660X11190054. — . Архивировано 28 апреля 2019 года.
- ↑ Kewitsch, Anthony S. Self-focusing and self-trapping of optical beams upon photopolymerization (EN) // Optics Letters. — 1996. — 1 января (т. 21, № 1). — С. 24—6. — ISSN 1539-4794. — doi:10.1364/OL.21.000024. — . — PMID 19865292. Архивировано 20 апреля 2020 года.
- ↑ Burgess, Ian B. Spontaneous Pattern Formation Due to Modulation Instability of Incoherent White Light in a Photopolymerizable Medium (англ.) // Journal of the American Chemical Society[англ.] : journal. — 2007. — 1 April (vol. 129, no. 15). — P. 4738—4746. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja068967b. — PMID 17378567.
- ↑ Biria, Saeid. Tunable Nonlinear Optical Pattern Formation and Microstructure in Cross-Linking Acrylate Systems during Free-Radical Polymerization (англ.) // The Journal of Physical Chemistry C[англ.] : journal. — 2016. — 3 March (vol. 120, no. 8). — P. 4517—4528. — ISSN 1932-7447. — doi:10.1021/acs.jpcc.5b11377.
- ↑ Basker, Dinesh K. Spontaneous Emergence of Nonlinear Light Waves and Self-Inscribed Waveguide Microstructure during the Cationic Polymerization of Epoxides (англ.) // The Journal of Physical Chemistry C[англ.] : journal. — 2015. — 3 September (vol. 119, no. 35). — P. 20606—20617. — ISSN 1932-7447. — doi:10.1021/acs.jpcc.5b07117.
- ↑ Biria, Saeid. Optical Autocatalysis Establishes Novel Spatial Dynamics in Phase Separation of Polymer Blends during Photocuring (англ.) // ACS Macro Letters[англ.] : journal. — 2016. — 15 November (vol. 5, no. 11). — P. 1237—1241. — doi:10.1021/acsmacrolett.6b00659.
- ↑ Biria, Saeid. Control of Morphology in Polymer Blends through Light Self-Trapping: An in Situ Study of Structure Evolution, Reaction Kinetics, and Phase Separation (англ.) // Macromolecules : journal. — 2017. — 9 May (vol. 50, no. 9). — P. 3617—3626. — ISSN 0024-9297. — doi:10.1021/acs.macromol.7b00484. — .
- ↑ Spatial Solitons / Ed. by S. Trillo, W. Torruellas. — Springer, 2001. — (Springer Series in Optical Sciences). — ISBN 9783540416531.
- ↑ A. Talebpour et al., Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: road to new spectroscopic source, 2000,Optics Communications, 183:479–484
- ↑ A. Talebpour et al., Spectroscopy of the Gases Interactingwith Intense Femtosecond Laser Pulses, 2001, Laser Physics, 11:68–76
- ↑ L. Wöstea, S. Freyb, J. Wolf, LIDAR-Monitoring of the Air with Femtosecond Plasma Channels, Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2006, 53:413–441
- ↑ (e) Science News
{{citation}}:|title=пропущен или пуст (справка)