Распространение мощного субпикосекундного лазерного импульса в газах в условиях ионизации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

РГ б ОД

КОСАРЕВА ОЛЬГА ГРИГОРЬЕВНА

РАСПРОСТРАНЕНИЕ МОЩНОГО СУБПИКОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ГАЗАХ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗАЦИИ

Специальность /01.04.21 - лазерная физика/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на физическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор В.П. Кандидов,

кандидат физико-математических наук доцент С.А. Шленов

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н. профессор А.З. Грасюк (ФИАН) к. ф.-м. н. доцент И.Н. Иновенков (ф-т ВМК, МГУ им. М.В. Ломоносова)

Ведущая организация:

НИИ Лазерной физики ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова

Защита состоится 1995 г. в /^^часов на

заседании Специализированного Ученого Совета К053.05.21 физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, 119899, ул. Хохлова, 1, Корпус Нелинейной Оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан "

1995 г. .

Ученый секретарь Специализированного Совета / ; ; > к. ф.-м. н. Т.А.'Матвеева /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время быстро развивается область физики, связанная с получением мощно го 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 интенсивностеи порядка 10,8-1021 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.

Пель 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.

1. Впервые исследована трехмерная нестационарная задача о самовоздействии субпикосекуидного лазерного импульса интенсивностью 1013 -1016 Вт / см2 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.

2. Показано, что при фокусировке мощного субпикосекуидного импульса в газ атмосферной плотности максимальная интенсивность, достигаемая в газе, может быть в 5-7-25 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 нёлйнейной 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.

1. 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.

2. 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.

1. Распространение импульса интенсивностью 10,3-1016 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

1014 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.

2. 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.

3. 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 -ИО'5 от максимальной интенсивности.

4. ВКР в самонаведенной плазме субпикосекундного лазерного импульса приводит к образованию пьедестала в частотном спектре импульса на уровне 10-3 + 10~4 от максимальной интенсивности. Инкремент усиления стоксова излучения резко уменьшается с увеличением неоднородности плазмы.

5. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описаны нелинейно-оптические явления в поле интенсивного лазерного импульса субпико- и фемтосекундной длительности и показана необходимость проводимых исследований.

В первой главе дан обзор экспериментальных работ по взаимодействию мощных сверхкоротких лазерных импульсов с газами. На основе анализа экспериментов проведена классификация нелинейно-оптических процессов при интенсивности поля 1012 - 1019 Вт/ см . Выделены области, в каждой из которых наиболее вероятна та или иная совокупность процессов, определяющая пространственно-временные и спектральные характеристики излучения. Обсуждаются такие эффекты как керровская и плазменная нелинейности в условиях самосогласованной с полем ионизации среды, вынужденное комбинационное рассеяние, релятивистско-стрикционная нелинейность. Отмечается, что керровская и плазменная нелинейности являются наиболее вероятными причинами трансформации характеристик излучения в газах при нерелятивистских интенсивностях. Обсуждаются преимущества и недостатки рассматриваемых в литературе теоретических моделей распространения сверхкоротких лазерных импульсов в газах. Указывается, что модели, использующие приближение плоских волн, а также безаберрационное приближение, не могут дать адекватного описания трансформации высокоинтенсивного импульса в газах. Делается вывод о необходимости использования трехмерной нестационарной модели распространения импульса в газах. Формулируется цель работы.

Во второй главе рассматривается механизм возникновения керровской и плазменной нелинейностей в газах и приводятся оценки их вкладов в показатель преломления для характерных экспериментальных условий. Так, в нейтральном ксеноне при давлении 1 атм. и интенсивности 10й Вт/см2 вклад керровской нелинейности составляет 10"4, а вклад плазменной при однократной ионизации всего лишь 10% атомов ксенона - 5-Ю"4. Таким образом, плазменная нелинейность может конкурировать с керровской, и необходимо рассматривать совместное влияние обоих

процессов на распространение импульса. Указывается на уменьшение вклада керровской нелинейности при увеличении кратности положительных ионов.

Обсуждаются различные модели нелинейной ионизации и их соответствие экспериментальным данным. Рассматриваются теория Келдыша, теория Келдыша-Файсала-Риса {модифицированная теория Келдыша), модель Эгоке, модель Аммосова-Делоне-Крайнова (АДК), модель надбарьерной ионизации. Обосновывается выбор модели Бгоке в пределе многофотонной ионизации (у»1, где у - адиабатический параметр Келдыша) и модели АДК в области туннельной ионизации и переходной области (у<1) для расчета самосогласованной генерации свободных электронов при распространении импульса в газах.

Формулируется нелинейно-оптическая модель

распространения импульса в газе в условиях ионизации и керровской нелинейности нейтральных атомов и ионов. Система уравнений записывается в виде:

2 ¿к

г \

& д!

Е=А1Е +

2к

\E-ikaE, (1)

2 ий^,

= = + (2)

«2=-1х(>,, (3)

"о Т /

где Е - комплексная амплитуда электрического поля, / = с|£|2 / 8и -интенсивность, Ие - концентрация электронов, Л^ - концентрация,

Е; - потенциал ионизации, (|£'|2) - вызванная электрическим

полем скорость ионизации, х® - кубичная восприимчивость иона кратности /; и0 - линейная часть показателя преломления газа, коэффициент а описывает поглощение вследствие ионизации, к=2п1Х - волновое число, =2пс/Х - частота излучения лазера. Дано обоснование использованных приближений: метода медленно меняющихся амплитуд, первого порядка теории дисперсии,

пренебрежения смещением электронов и их рекомбинацией в течение импульса.

В третьей главе описывается методика численного решения нестационарной многомерной задачи о распространении импульса в газе. Приводятся безразмерные уравнения и характерные параметры задачи. Обосновывается выбор области для численного решения системы уравнений (1 - 3), исходя из порогового значения интенсивности для ионизации газа и длины области, где происходит основной набег фазы, обусловленный керровской нелинейностью. Детально рассматривается численный алгоритм решения задачи и приводится цепочка сеточных уравнений, соответствующих системе (1-3). Основу численного алгоритма составляет процедура расщепления, согласно которой на каждом шаге Дг вдоль оси распространения излучения решается уравнение линейной дифракции и помещается фазовый экран, соответствующий прохождению излучения через отрезок нелинейной среды длиной Дг. Для линейного случая результаты численных расчетов сравниваются с известными аналитическими решениями. При решении нелинейной задачи контролируется сохранение интегралов системы (1-3), а также максимальная разность фаз комплексной амплитуды электрического поля в соседних узлах сетки по всем координатам. Обосновывается выбор параметров численной схемы для' различных условий распространения импульса.

В четвертой главе рассматривается распространение импульса при умеренных интенсивностях 1013-1014 Вт/см2 в воздухе в условиях, когда возможно совместное влияние керровской и плазменной нелинейностей на форму и спектр импульса. Показано, что выбором параметров излучения, в частности радиуса фокусировки, можно получить различные соотношение вкладов двух механизмов нелинейности в трансформацию импульса. На рис. 1 представлены частотные спектры на выходе из перетяжки. При слабой фокусировке (рис. 1а) уширение и модуляционная структура спектра определяются безынерционной керровской нелинейностью. С обострением фокусировки возрастает интенсивность, и в области близкой к фокусу увеличивается концентрация свободных электронов. "Центр тяжести" спектра сдвигается , в область больших частот (рис. 16).

Модуляционная структура спектра исчезает в антистоксовой области и

существенно уменьшается_____ _ в

стоксовой. Таким образом, плазменная нелинейность подавляет керровскую (рис. 1в).

Наряду с частотными спектрами анализируется фаза импульса и пространственно-временное распределение

интенсивности в различных плоскостях г в среде. Отличительной особенностью распространения в условиях, когда плазменная нелинейность подавляет

керровскую, является появления локального минимума на оси пучка в области фокуса линзы, который при дальнейшем распространении

исчезает вследствие дифракции.

Методом Монте-Карло

исследуется трансформация спектра частично-когерентного импульса. Основным отличием частотного спектра, усредненного по ансамблю таких импульсов, от спектра регулярного импульса в условиях ионизации и керровской

нелинейности явлется отсутствие модуляционной структуры в усредненном спектре и появление длинного крыла в антистоксовой области. Характерной особенностью корреляционной функции частично-когерентного импульса,

распространяющегося в условиях ионизации, является наличие двух временных масштабов,

?00.0 ' Зо1Ь "' 310.0.....31Ь

С$0С0 305.0 310 0 315.0

X, нм

Рис. 1. Спектр 100 фс импульса мощностью

Р = 2.65-10

Вт

после

фокусировки в воздух линзами с различными фокусными расстояниями /.

Штриховая кривая - спектр импульса в вакууме, а) /=110 см, интенсивность в фокусе линзы в вакууме

/,. =0.26-1014 Вт / с

б)/=80 см, /,, = 05- 10м Вг/с»2;

в)/=40 см, I,, = 2-10и Вт /с ь?.

<0

появляющихся вследствие сильно нелинейной зависимости фазы импульса от времени.

В пятой главе исследуется пространственно-временная эволюция субпикосекундного импульса, сфокусированного в инертные газы Аг, Кг, Хе при давлении 1-5 атм и пиковой интенсивности 1014-1016 Вт/см2 (энергия импульса составляла 330 мкДж, а длительность 100 фс). В таких условиях основным эффектом, определяющим трансформацию импульса, является нелинейная ионизация газа. Расчеты проводились в условиях эксперимента Wood W.M. et al. (IEEE Trans. Plasma. Sci., v. 21, p.20, 1993). Для расчетных спектров были найдены следующие закономерности, соответствующие экспериментальным данным: с увеличением интенсивности, давления газа или атомного номера вещества, спектр меняется от практически полностью подобного спектру входного импульса до сложной структуры, состоящей из узкого пика, сдвинутого на 5-10 нм в коротковолновую область от центральной частоты исходного импульса, и длинного (до 50-60 нм) крыла. Длина коротковолнового крыла увеличивается с ростом энергии импульса, давления и атомного номера газа. Расчетные спектры находятся в количественном соответствии с экспериментальными.

Показано, что изменение пространственно-временной структуры излучения является следствием нестационарной нелинейной дефокусировки в самонаведенной лазерной плазме. В результате максимальная интенсивность, достигаемая в газе, может быть в 5-^25 раз меньше вакуумной (см. Таблицу 1.). Характерно также то, что при достижении некоторой вакуумной интенсивности Iv (что в данных условиях составляет около

2-Ю15 Вт/см2) максимальная степень ионизации практически не меняется. Это объясняется насыщением роста интенсивности, реально достигаемой в газе, с ростом вакуумной интенсивности. В результате нелинейной нестационарной рефракции поперечный профиль пучка приобретает кольцевую структуру с минимумом или максимумом на оси. При этом радиус и контрастность кольца различны на переднем и заднем фронте импульса.

Детально исследована динамика развивития

пространственно-временной неустойчивости излучения при

увеличении энергии импульса до 10 мДж. Эволюция распределения интенсивности в газе показана на рис. 2.

Таблица 1. Расчетные значения пиковой интенсивности /тах и

максимальной степени ионизации Л'гтах ^ которые

достигаются в инертных газах, при фокусировке в них линзой £/5 импульса длительностью 100 фс на длине волны

620 нм. (р=1 атм., Л'оо = 2.68 1019 с м3).

h, Вт / см2 Л™. Вт/см2

Аг Кг Хе Аг Кг Хе

10'6 1.68-1015 8.12-10'4 4.39- 10й 2.18 2.15 2.42

6.3Ы015 1.49-1015 8.42-1014 4.04-1014 2.02 2.23 2.30

2.51-Ю15 1.15-1015 7.78-1014 4.48-1014 2.00 2.15 2.55

ю'5 7.2Ы014 5.24-1014 3.72-1014 1.12 1.95 2.05

Расчеты проводились для условий эксперимента Auguste T. et al

(Laser Physics, v. 4, p.52, 1994), где импульс длительностью 1 пс и энергией 1 мДж - 1 Дж на длине волны 1.06 мкм фокусировался в аргон при давлении 1 атм. Видно (рис. 2), что кольцевая структура на заднем фронте импульса формируется на значительном расстоянии до фокуса линзы (г = -6.48гЛ, где zR - конфокальный параметр пучка). Фактически, это кольцо является "затравкой" для дальнейшего развития неустойчивости. При приближении к линейному фокусу линзы (рис. 2, z = -3.58гЛ, z=0) пучок на заднем фронте импульса расплывается за счет дефокусировки, продолжая дробиться на кольца относительно невысокой интенсивности. В работе подробно анализируется механизм образования пространственно-временной неустойчивости, которая является следствием процесса нестационарной нелинейной дефокусировки приосевой части пучка, развивающейся в условиях сходящейся периферийной области излучения.

В шестой главе рассматривается ВКР субпикосекундного лазерного импульса, распространяющегося в неоднородной плазме. Для описания ВКР используются уравнения связанных волн (накачки, электронной плазменной и стоксовой), записанные в приближении холодной плазмы. "Затравкой" для стоксова

импульса является спонтанное излучение плазмы, оценка

интенсивности которого для параметров эксперимента Auguste T. et

г = -6.48zr

J„,-2. 06 10u W/ero"

Рис. 2. Развитие пространственно-временной неустойчивости при распространении в аргоне (р=1 атм.)

импульса длительностью 1 пс и мощностью Р= 7.5-109 Вт. Слева - пространственно-временное распределение интенсивности в плоскости (г,т), где - г - радиальная

координата, т -1 -21vg■1 справа - профиль пучка на заднем фронте импульса. г=0 соответствует положению фокуса в вакууме, г„=162 мкм - конфокальный параметр. а0=89 мкм,

1У = 8.78-1015 Вт /с »1, =10° Вт /с л?.

al (Laser Physics, v. 4, p.52, 1994), где температура электронов составляла около 15 эВ, а концентрация 2.68-Ю19 см"3, дает примерно 360 Вт/см2.- --------- - ----- -........... - ----------

В расчетах, выполненных в приближении заданного поля, предполагается, что плотность плазмы изменяется вдоль оси распространения по гауссову закону, причем

Nc(z = 0) = Nc(z - L) = 2.68-1019 см"3; в то время как Ne (z = L /2) = (1 + Д) ■ Ne (z = О), где А - параметр неоднородности, L -длина распространения импульса.

Зависимость усиления

стоксова импульса от параметра неоднородности Д показана на рис. 3, где по вертикальной оси отложено отношение

максимальной интенсивности образовавшегося стоксова

импульса при z-L к интенсивности "затравочного" шума. При увеличении Д от 0 до 0.5 усиление падает в 3 • 106 раз. Одновременно спектр стоксова импульса уширяется. Интенсивность

стоксова импульса при малых значениях параметра

неоднородности (от Д=0 до Д=0.155) составляет Ю-1-ПО"4 от интенсивности накачки. На основании этого делается вывод, что ВКР вносит вклад в пьедестал спектра субпикосекундного импульса, который может регистрироваться в экспериментах.

10 "1

ю' 10 '

I

г ю 10'] 10'3

Ю N

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 ""0.5

д

Рис. 3. Отношение максимальной интенсивности стоксова импульса при г=Ь к интенсивности спонтанных

шумов /и = 360 Вт / с л? при различных параметрах неоднородности Д.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые исследована в самосогласованной постановке трехмерная нестационарная задача о самовоздействии субпикосекундного лазерного импульса интенсивностью 1013-1016 Вт/см2 в условиях совместного влияния керровской и плазменной нелинейностей при распространении излучения в газах. Анализ основывается на физических моделях нелинейно-оптического взаимодействия мощного лазерного излучения с газами, которые описывают нелинейность в самонаведенной лазерной плазме при многофотонной и туннельной ионизации, керровскую нелинейность нейтральных атомов и ионов, поглощение излучения при ионизации.

Методом вычислительного эксперимента исследована трансформация частотного спектра и пространственно-временного распределения излучения при различных режимах фокусировки в воздухе и инертных газах.

2. Показано, что 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 1013 Вт/см2, сменяются сдвигом "центра тяжести" спектра в высокочастотную область и дефокусировкой пучка с возрастанием вклада многофотонной ионизации при интенсивности 1014 Вт/ см . В случае частично-когерентного импульса максимум спектра остается на центральной частоте, и возникает длинное крыло в антистоксовой области.

3. Туннельная и многофотонная ионизация инертных газов под воздействием субпикосекундного лазерного импульса интенсивностью 1014 - 1016Вт/см2 приводит к сильным нелинейным искажениям частотного спектра и пространственно-временного распределения излучения, развивающимся в перетяжке (/ а 300 мкм) сильно сфокусированного пучка в геометрии //5 - //10. 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.

4. С увеличением энергии импульса до 1-10 мДж при распространении в инертных газах атмосферной плотности развивается пространственно-временная неустойчивость излучения, 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 радиусе и 60 нм на оси пучка по уровню Ю-4 10~5 от максимальной интенсивности.

5. Исследование ВКР на электронных колебаниях в лазерной плазме субпикосекундного импульса показало, что неоднородность

наведенной плазмы существенно ослабляет инкремент усиления стоксова сигнала. Генерация стоксова излучения из спонтанных шумов в условиях пространственной неоднородности лазерной плазмы приводит к образованию пьедестала в частотном спектре выходного сигнала.

6. Исследования нестационарной трехмерной задачи о распространении мощного субпикосекундного лазерного излучения в самонаведенной плазме позволяет получить информацию о реальном распределении интенсивности пучка в условиях нелинейной дефокусировки, что важно для интерпретации экспериментальных данных.

Частотные спектры импульсов, полученные в численном решении самосогласованной задачи о распространении лазерного импульса в газах находятся в количественном согласии с экспериментальными данными.

ПУБЛИКАЦИИ

1. О.Г.Косарева, А.М.Кочеткова, С.А.1Дленов. "Изменение формы и спектра импульса в однородной среде с кубичной нелинейностью." В тезисах XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 24-27 сентября 1991 г., т. 3, с. 106.

2. О.Г.Косарева, С.А.Шленов "Влияние многофотонной ионизации на спектр субпикосекундного лазерного импульса при его фокусировке в однородной среде с кубичной нелинейностью". В трудах 3-го Всероссийского семинара "Динамика волновых явлений и солитоны". Красновидово, 20-23 мая 1992 г., с. 63-66.

3. О.Г.Косарева, С.А.Шленов."Изменение спектра субпикосекундного лазерного импульса в однородной среде с кубичной нелинейностью в условиях многофотонной ионизации." Изв. АН СССР, сер. физическая, т. 56, N9(1992), с. 56-62.

4. В.П. Кандидов, О.Г. Косарева, С.А.Шленов. "Влияние кубичной нелинейности и многофотонной ионизации на пространственно-временные характеристики субпикосекундного лазерного импульса в воздухе." Оптика атмосферы, т.6, N 1(1993), с. 79-85.

5. В.П.Кандидов, О.Г.Косарева, С.А.Шленов "Самовоздействие субпикосекундного лазерного излучения в условиях многофотонной ионизации в газах." В тезисах 7 Международной конференции "Оптика лазеров", Санкт-Петербург, 21-25 июня 1993 г., т.2, с.670.

6. В.П. Кандидов, О.Г. Косарева, С.А.Шленов. "Статистическое исследование спектра частично-когерентного импульса субпикосекундной длительности при самомодуляции в газе." Квантовая электроника, т.20, N 10(1993), с. 1016-1020.

7. В.П.Кандидов, О.Г.Косарева, С.А.Шленов. "Влияние нестационарной самодефокусировки на распространение мощных фемтосекундных лазерных импульсов в газах в условиях ионизации." Квантовая электроника, т.21, N 10(1994), с. 971-977.

8. V.P.Kandidov, O.G.Kosareva, S.A.Shlenov. "Spatial-temporal evolution of a femtosecond ionizing pulse in gases." Mol. Crys. Liq. Crys. Sci. Technol. - Sec. B: Nonlinear Optics, V. 12(1994), p. 119-135.

9. V.P.Kandidov, O.G.Kosareva, S.A.Shlenov, "Stimulated Raman Scattering of subpicosecond laser pulse in the self-produced plasma." In Joint Symposia Technical Digest of the XVth International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and VHIth Conference on Laser Optics, June 24 - July 1, 1995, St. Petersburg, Russia, p.23.