Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах

Кабанов, Андрей Михайлович

Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Кабанов, Андрей Михайлович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах»

Автореферат диссертации на тему "Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах"

На правах рукописи

Кабанов Андрей Михайлович

ОПТИКА МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ГАЗОВО-АЭРОЗОЛЬНЫХ СРЕДАХ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 3 ИЮН 2010

Томск-2010

004603149

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук и ГОУ ВПО Томский государственный университет.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Землянов Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Кандидов Валерий Петрович

доктор физико-математических наук Лосев Валерий Федорович

доктор физико-математических наук, профессор Лукин Владимир Петрович

Ведущая организация: Институт лазерной физики СО РАН,

г. Новосибирск

Защита состоится 4 июня 2010 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан 30 апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. ф.-м. н. Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Нелинейная атмосферная оптика, являясь одним из разделов современной атмосферной оптики, начала развиваться в 70-е гг. прошлого века, постоянно трансформируя и расширяя круг задач в соответствии с развитием лазерной техники.

Актуальность исследований распространения импульсов С02-лазеров микросекундной длительности, в силу больших кпд, определялась практической потребностью передачи энергии созданных к тому времени лазерных систем через атмосферу. При этом аэрозольная фракция, практически всегда в том или ином виде присутствующая в атмосфере, является наиболее значимой с точки зрения ослабления лазерного излучения. Основной и наиболее распространенный аэрозоль атмосферы, влияющий на условия распространения лазерного излучения это водный аэрозоль - дождь, морось, туман, облака.

Взаимодействие мощного лазерного излучения с ансамблями водных частиц протекает различным образом в зависимости от длины волны лазерного излучения, которая определяет поглощающие свойства капель, длительности лазерного импульса, определяющей мощность излучения, размера частиц, связанного со степенью неоднородности распределения световых полей по объему аэрозольной частицы.

Для импульсного излучения С02-лазеров микросекундной длительности энергетические пороги нелинейно-оптических эффектов, таких как испарение, взрывное вскипание, фрагментация при взрыве, оптический пробой частиц водного аэрозоля, лежат в пределах 1-Ю2 Дж/см2, поэтому учет данных эффектов необходим в задаче транспортировки мощных пучков в аэрозольной атмосфере. Для прогноза эффективности передачи лазерной энергии в заданную область пространства необходим учет трансформации оптических свойств среды при распространении в ней мощного лазерного излучения. Построение модели ослабления излучения аэрозольной атмосферой невозможно без первоначального моделирования процесса взаимодействия излучения с отдельной аэрозольной частицей и оптических последствий этого взаимодействия. Поскольку задача, в силу многообразия взаимовлияющих факторов, достаточно сложна для чисто теоретического моделирования, необходима экспериментальная информация о количественных характеристиках процессов [1]. Поэтому к моменту начала исследований в проблеме прогноза распространения мощного лазерного излучения в атмосфере стояла задача о построении полуэмпирических моделей взаимодействия излучения с водным аэрозолем. При этом важно не только промоделировать возможные сценарии взаимодействия и их последствий

в контролируемых лабораторных условиях, определить необходимый минимум измеряемых характеристик, но и верифицировать имеющийся массив натурных измерений.

Данное направление исследований актуально и в настоящее время, но уже в задачах распространения ультракоротких лазерных импульсов в сла-бопоглощающем аэрозоле [2]. При этом причина фрагментации практически прозрачных для длины волны наиболее часто используемых фемтосе-кундных лазерных импульсов (7. = 0,8 мкм) капель воды - не прямой нагрев за счет поглощения, а формирование плазменных очагов внутри частиц за счет многофотонной и каскадной ионизации, рекомбинация плазмы и разрушение частиц с формированием аэрозоля с новой микроструктурой, определяющей дальнейшие условия распространения излучения.

Развитие нового перспективного направления, фемтосекундной оптики, открыло новый широкий круг задач, в том числе и для атмосферной оптики. К настоящему времени достигнуты длительности менее 10 фс [3] и, соответственно, гигантские, вплоть до петаватт [4], мощности излучения, при которых реализуются ранее недостижимые в атмосфере нелинейно-оптические эффекты, такие как филаментация лазерного пучка, генерация суперконтинуального свечения, неупругое рассеяние, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость всестороннего изучения физики взаимодействия такого излучения с газовой и аэрозольной компонентами атмосферы, исследования количественных проявлений реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики, таких как проводка молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы с помощью лидаров белого света, нелинейная спектроскопия атмосферы. Следует отметить, что количество публикаций в российской печати в данной области, посвященных теоретическому моделированию, на порядок превышает количество экспериментальных исследований. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между характеристиками излучения и наведенными оптическими свойствами атмосферного канала распространения, несомненно, актуально в настоящее время.

Цель и задачи исследования

Целью работы являются экспериментальные исследования проблемы самовоздействия при распространении в газово-аэрозольной атмосфере мощных лазерных импульсов в диапазоне длительностей от микросекунд до фемтосекунд в различных спектральных диапазонах лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

Экспериментальное исследование взаимодействия интенсивных лазерных импульсов микросекундной длительности с частицами поглощающего

жидкокапельного аэрозоля. Определение минимального набора характеристик взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц, достаточного для описания оптических последствий этих процессов. Получение количественной информации об этих характеристиках и их зависимостях от параметров лазерного воздействия для создания полуэмпирической модели све-тоиндуцированного взрыва водного аэрозоля.

Построение прогностической и оперативной моделей эффективности распространения излучения в атмосфере на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных исследований взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с аэрозолем.

Разработка физических основ использования нелинейно-оптических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с аэрозолем для диагностики микрофизических свойств аэрозоля и структуры лазерных пучков повышенной интенсивности с использованием оптического и акустического зондирования.

Исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем, особенностей филаментации сфокусированных лазерных пучков, трансформации спектральных характеристик излучения и пространственного распределения энергии в поперечном сечении лазерного импульса при его филаментации, а также филаментации лазерных импульсов пико-и фемтосекундной длительности в атмосфере в режиме частотной модуляции импульса.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Физическим содержанием полуэмпирической модели лазерно-инду-цированного фазового взрыва жидкости в капельной форме является зависимость времени взрыва капель, степени испарения и степени дробления частиц аэрозоля при взрыве от скорости выделения теплоты в материале частицы. Энергетический порог полного разрушения поглощающих капель в поле микросекундных лазерных импульсов возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева.

2. При распространении мощного импульсного излучения С02-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения. Разработанная на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных экспериментов эмпирическая модель позволяет осуществлять прогноз эффективности транспортировки лазерной энергии.

поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава. Аэрозольная среда (с концентрацией частиц в диапазоне 103—107 см"3) для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.

4. Экспериментами по фокусировке фемтосекундного лазерного импульса в нелинейную воздушную среду установлено значительно большее увеличение угловой расходимости пучка после прохождения им фокуса, чем предсказывает традиционная модель керровской нелинейности. Эмпирические данные послужили основой для оптической модели взаимодействия остросфокусированных ультракоротких лазерных импульсов с воздухом.' Ширина и смещение максимума свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации определяются эффективной длиной филамента.

5. Разработанная методика совместной регистрации оптического и акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом атмосферы, позволяет определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения поглоща-тельных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, определять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натурных и лабораторных экспериментов.

Достоверность научных результатов подтверждается:

методической проработкой регистрации и обработки оптических и акустических сигналов; корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок; использованием в качестве приемников оптических и акустических сигналов сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов; статистической обеспеченностью экспериментальных данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями; совпадением результатов, полученных в настоящей работе при использовании независимых экспериментальных методик, с результатами других работ для частных случаев совпадения условий экспериментов; соответствием полученных экспериментальных данных результатам модельных теоретических расчетов, проведенных другими авторами.

Научная новизна результатов

1. Впервые определен и измерен набор основных характеристик процесса взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц различной микроструктуры при воздействии лазерного излучения: энергетический порог взрыва, время взрыва, степень испарения, степень дробления.

2. Экспериментально исследованы закономерности формирования акустического сигнала от аэрозоля с различной микроструктурой и от одиноч-

ных частиц различного размера. На основе впервые измеренных зависимостей амплитуды акустического отклика на лазерно-индуцированные фазовые переходы в частицах от размера частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения установлены значения величин порогов взрыва и разрушения частиц.

3. По полученным из оптических и акустических измерений значениям порогов взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц при их взрывном вскипании впервые установлена зависимость величины данных порогов от размера частиц и скорости нагрева их лазерным излучением.

4. На основе полученных из оптических и акустических измерений данных о последствиях взрывного вскипания и разрушения полидисперсного водного аэрозоля и одиночных частиц различного размера построена полуэмпирическая модель взрыва водного аэрозоля произвольной микроструктуры в поле импульсного лазерного излучения, позволяющая проводить оценку пропускания аэрозольной среды, сформированной при прохождении лазерного импульса.

5. Установлено, что совместная регистрация оптических и акустических последствий взрыва аэрозольных частиц в поле лазерного импульса может быть использована для дистанционного бесконтактного восстановления распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка повышенной интенсивности и концентрации аэрозольных частиц.

6. На основе экспериментальных исследований временных характеристик акустического отклика при различных режимах взаимодействия лазерного излучения с малым объемом жидкости установлено, что форма акустического импульса зависит от режима взаимодействия лазерного излучения с веществом.

7. На основе проведенного сопоставительного анализа данных по энергетическому ослаблению пучка излучения импульсного ССЬ-лазера на горизонтальной приземной трассе и результатов лабораторных исследований по взаимодействию такого излучения с дисперсными средами предложена модель прогноза энергетического ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях.

8. Экспериментально установлено, что при распространении фемтосе-кундных импульсов в аэрозоле происходит увеличение поглощенной энергии фемтосекундного импульса в сравнении с импульсами наносекундной длительности за счет реализации нелинейно-оптических эффектов в веществе частиц водного аэрозоля. При этом впервые установлено, что ослабление фемтосекундных импульсов водным аэрозолем в диапазоне концентраций частиц 103-107 см"3 можно считать квазилинейным.

9. Проведены измерения акустическим методом размера области фила-ментации сфокусированного лазерного субтераваттного гауссова пучка и положения нелинейного фокуса.

10. Экспериментальные исследования поперечной энергетической структуры сфокусированного фемтосекундного лазерного импульса показали, что увеличение дефокусирующих свойств образующегося в канале лазерного пучка плазменного филамента приводит к повышению угловой расходимости световой волны после нелинейного фокуса, которая не может быть описана стандартными параметрами оптической нелинейности среды.

11. Измерено уширение спектрального контура излучения, происходящее при филаментации исходного пучка. При этом изменяется не только полуширина спектрального распределения, но и его форма, которая приобретает более выраженное «синее» крыло. Впервые установлена количественная связь смещения центра тяжести спектрального контура излучения в коротковолновую область и полуширины спектрального контура с протяженностью зоны филаментации пучка.

12. Впервые в России проведены исследования филаментации колли-мированного лазерного пучка на атмосферной трассе, при этом положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе, а следовательно и спектральный состав суперконтинуального свечения, эффективно управляются энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

Научная и практическая значимость

Результаты, полученные в работе, расширяют и углубляют представления о физике процессов взаимодействия интенсивных лазерных пучков с конденсированным веществом в дисперсном состоянии при реализации фазовых переходов в веществе частиц. Полученные количественные экспериментальные данные об изменении микрофизических свойств аэрозоля в канале распространения лазерного пучка позволяют моделировать наиболее эффективные, с точки зрения передачи энергии, характеристики лазерных систем, работающих в реальной атмосфере при ее различных оптико-метеорологических состояниях. Полученные данные о трансформации спектральных и пространственных характеристик ультракоротких лазерных импульсов при их распространении в атмосфере позволили уточнить теоретические модели взаимодействия мощных импульсов с веществом атмосферы. Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении государственных контрактов №95031, 1498, П367, РИ-16.0/019, 02.740.11.0083, 217/3, 256, 6512, работа поддерживалась грантами РФФИ №03-05-64228, 03-05-64431, 98-05-78009, 06-05-64799, 06-05-96962-р-офи, 09-05-00738-а, CRDF № PRO-1390-TO-03, программами 2.9 Отделения физических наук РАН, № 12 Президиума СО РАН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 8-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы,

Томск, 1984; 8-м и 11-м Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск, 1986, 1992; на 1-16-м межреспубликанских и международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск, 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002-2007, 2009, Иркутск, 2001, Красноярск, 2008; 3-м Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск, 1985; 19-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград, 1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, 2-й Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 1987; XV Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем», Одесса, 1989; Российской аэрозольной конференции, Москва, 1993; Topical Meeting on Atmospheric, Volume and Surface Scattering and Propagation, Florence, Italy, 1991; 4-м Рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск, 1996; International Conference LASER-95, Charleston, 1995; Electromagnetic research Symposium, Seattle, 1995; International Forum on Advanced high power laser and applications AHPLA'99, Osaka, Japan, 1999; заседании 9-й Рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск, 2002; 6th International Conference «Atomic and molecular pulsed lasers», Tomsk, 2003, 2005, 2007, 2009; International Conference «Lasers Material Interaction», St.-Petersburg, 2003; XV сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород, 2004, 2007; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), St.-Petersburg, 2005, 2007; International Conference on Quantum Electronics and the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics, Toshi Center Kaikan, Tokyo, Japan, 2005; VII Международной конференции «Лазерная физика и оптические технологии», 17-19 июня, Минск, Беларусь, 2008; XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008; International Conference «Laser Optics 2008», St.-Petersburg, Russia, 2008; 5 International Symposium «Modern Problem of Laser Physics» MPLP'2008, Novosibirsk, 2008; VI Всероссийской отраслевой научно-технической конференции «Проблемы создания лазерных систем», ЗАТО г. Радужный, 2008; VIII Международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Москва, 2009.

Материалы диссертации изложены в 145 работах, в том числе 4 монографиях, 3 учебных пособиях, 46 статьях, из них 24 в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 авторских свидетельствах на изобретение.

Личный вклад автора

Диссертационная работа явилась результатом 25-летней исследовательской работы автора, которая заключалась в постановке задач, разработке методик и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов.

Объем и структура работы

Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 241 страница, 115 рисунков, список литературы составляет 225 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена фундаментальная проблема самовоздействия при распространении в газово-аэрозольной атмосфере мощных лазерных импульсов в диапазоне длительностей от микросекунд до фемтосекунд в различных спектральных диапазонах лазерного излучения. Обсуждаются актуальность, научная, практическая значимость и состояние исследований в данном направлении к моменту начала выполнения работы. Исходя из уже достигнутых результатов и нерешенных задач сформулированы цель и задачи исследований.

В главе I представлены результаты экспериментальных исследований оптических последствий взаимодействия мощного лазерного излучения с частицами однородно поглощающего водного аэрозоля. Задачей этих исследований являлось получение эмпирической информации для построения модели изменения оптических свойств водного аэрозоля в процессе его взаимодействия с мощными лазерными импульсами микросекундной длительности. Основное внимание было направлено на исследование взрывного вскипания водной капли в оптическом поле. Взрывное вскипание - процесс появления и быстрого роста в объеме частицы паровых зародышей при достижении температуры перегрева, близкой к температуре спинодали, т.е. состояния абсолютной неустойчивости среды (для воды при атмосферном давлении 593 К). При таких перегревах вещества процесс появления пузырей носит характер гомогенной нуклеации, т.е. затравочными центрами служат внутренние тепловые неоднородности среды [5,7]. Описана разработанная экспериментальная методика, позволяющая проводить исследования взрыва аэрозольных частиц в поле лазерного излучения. Для случая малых частиц сформулированы условия проведения экспериментов, позволяющие трактовать результаты измерений при работе с ансамблем частиц на основе описаний взрыва одной частицы. При этом размер аэрозольных частиц г0 подчинялся условию 2апг0 < 1 (где ап - коэффициент объемного поглощения, г0 - радиус исходных частиц), что соответствовало однородному поглощению лазерного излучения по всему объему частиц и, следовательно, равномерному нагреву всего объема частиц излучением. Для водного аэрозоля и длины волны воздействующего излучения Х= 10,6 мкм (аП = 800 см-1) данное условие соответствует г0< 5 мкм. Толщина аэрозольного слоя подбирались таким образом, чтобы при фокусировке излучения она была меньше длины перетяжки излучения в фокусе. Таким образом

достигалась однородность распределения лазерной энергии в поперечном лазерному пучку направлении. Концентрация частиц должна быть достаточной для уверенной регистрации изменения прошедшего аэрозольный слой оптического сигнала в сравнении с опорным сигналом без аэрозоля и в то же время такой, чтобы энергии лазерного излучения в начале и в конце трассы отличались несущественно, для соблюдения условий однородности энергии воздействия на все частицы среды. Так, при концентрации частиц

104-105 см-3 прозрачность аэрозольного слоя м,бмкм) ~ 0,8, что удовлетворяет условию однородности воздействия излучения на частицы в продольном лазерному пучку направлении. Обосновывается выбор основных характеристик процесса взрывного вскипания. В качестве исследуемых в эксперименте параметров были выбраны следующие. Время взрыва капли /в как время от начала нагрева частицы лазерным излучением до начала выброса пароконденсата с поверхности частицы. Степень взрывного испарения Хв = М„/М0, где Мп - масса пара, образовавшегося к моменту взрыва в результате поверхностного и объемного парообразования, М0 - начальная масса капли. Степень разрушения частиц аэрозоля при взрыве (1 = г0/гк, где гк - характерный размер частиц конденсированной фракции продуктов разрушения. Описана методика определения выбранных характеристик процесса взрыва.

Представлены определенные из экспериментальных измерений перечисленные параметры и их зависимости от параметра скорости нагрева вещества частиц лазерным излучением = апЖ/рср?и, где IV - энергия в лазерном импульсе, /и - длительность импульса, рис,- плотность и удельная изобарная теплоемкость вещества аэрозольных частиц.

Показано, что размер конденсированной фракции продуктов взрыва гк, а следовательно, степень дробления <1 могут быть определены по измерениям прозрачности аэрозольного слоя на двух длинах волн. Для случая малых частиц эволюция прозрачности аэрозоля на длине волны воздействующего излучения к = 10,6 мкм, соответствующая изменению водности аэрозоля при взрыве частиц, может быть использована для определения степени испарения частиц при их взрывном вскипании. Время взрыва t¡¡ может быть определено по началу резкого изменения прозрачности или сигнала светорассеяния в момент начала взрыва либо по временной задержке начала формирования акустического сигнала.

На основе полученных результатов по зависимости выбранных параметров аэрозоля от скорости нагрева вещества частиц, представленных на рис. 1, построена полуэмпирическая модель взрыва (вскипания и разрушения) однородно поглощающего аэрозоля в поле лазерного излучения и распространения в нем мощного лазерного излучения в условиях реализации фазовых переходов.

Скорость нагревал • 1СГ8, К/с а 6 в

Рис. 1. Зависимость времени взрыва /8 (а), степени испарения Хв(б) и размера конденсированной фракции продуктов взрыва гк (в) от параметра скорости нагрева частиц ^ лазерным импульсом с = 10,6 мкм для однородно поглощающих частиц воды с г0 = 2,7 мкм (— - модельный расчет)

В главе II представлены результаты исследования взрыва под действием лазерных импульсов аэрозольных частиц среднего и крупного размера (/о > (2ссп)-1), основным отличием которых является существенная неоднородность распределения оптических полей в объеме частицы, что обусловливает и неравномерность частоты зародышеобразования паровой фракции в облучаемой капле. Предположение о равномерном заполнении объема частицы быстрорастущими паровыми пузырями и, соответственно, равномерном разрушении всей капли в данном случае необоснованно. В процессе взрыва образуются осколки разной величины, которые и формируют вторичную аэрозольную среду, определяющую ее оптические свойства дня лазерного излучения.

Представлена разработанная экспериментальная методика получения информации о характеристиках процессов взаимодействия из оптических и акустических измерений. Выделен ряд характерных уровней в сигнале светорассеяния, зависящих от плотности энергии воздействующего излучения и микроструктуры облучаемого аэрозоля и, следовательно, несущих в себе информацию о характеристиках процесса взрыва частиц.

Приводятся полученные данные об амплитудных искажениях в сигнале светорассеяния, обусловленные фазовыми переходами вещества аэрозольных частиц при распространении лазерного излучения в жидкокапельной среде. Дается физическое обоснование полученных зависимостей сигнала нелинейного рассеяния от плотности энергии воздействующего импульса и начальной микроструктуры аэрозоля исходя из условий протекания процесса взрыва. На основе полученных результатов делается вывод о том, что дисперсность продуктов взрыва существенно зависит от скорости нагрева

капли излучением. Установлены пороги взрывного вскипания и взрывного разрушения аэрозольных частиц в зависимости от их размера и скорости нагрева лазерным излучением для реализованных в эксперименте условий воздействия. Показано, что изменения амплитуды в сигнале светорассеяния, принимаемого из зоны взаимодействия лазерного излучения с аэрозольными частицами, связаны с изменением микроструктуры аэрозоля при его взрыве, что позволяет использовать сигнал светорассеяния для исследования количественных характеристик процесса взрыва и разрушения частиц. Полученные связи амплитудных искажений в сигнале рассеяния с параметрами исходного аэрозоля и воздействующего излучения позволяют использовать его для бесконтактной диагностики канала распространения мощных лазерных пучков.

Представлены результаты экспериментальных исследований акустического отклика на фазовые переходы в веществе аэрозольных частиц при поглощении энергии лазерного излучения, когда звуковое давление формируется за счет изменения плотности среды при фазовых переходах в веществе аэрозольных частиц. Описана методика проведения измерений акустического сигнала при взрыве частиц аэрозоля с различным распределением частиц по размерам и при воздействии лазерным импульсом на одиночные капли различного размера.

Полученные зависимости пикового акустического давления от плотности энергии воздействующего лазерного излучения и размера частиц, для аэрозоля и одиночных капель, представлены на рис. 2.

Плотность энергии Е, Дж/см2 а .6

Рис. 2. Зависимость пикового давления Р в акустическом импульсе от плотности энергии импульса С02-лазера: а - аэрозольная среда, = 3 мкс: 1 - г0 = 2,7 мкм; 2 -модальный радиус г„ = 10 мкм; 3 - гт = 20 мкм; б - одиночные частицы, = 0,4 мкс: 1 - г0 = 15; 2 - 49; 3 - 92 мкм; 4 - плоская поверхность

Смена хода зависимости давления от плотности энергии лазерного импульса при воздействии на монодисперсный аэрозоль, состоящий из однородно поглощающих частиц (рис. 2, а, кривая 7), связана с изменением режима формирования акустической волны при переходе от поверхностного испарения частиц к взрывному вскипанию. Для аэрозоля с различным вкладом крупной фракции частиц (рис. 2, а, кривые 2, 3) смена хода зависимости связана с достижением порога полного разрушения частиц при их взрывном вскипании. Кривые 1-3 на рис. 2, а нормированы на одинаковую водность аэрозоля. Видно, что с уменьшением размера частиц в аэрозоле эффективность преобразования энергии лазерного излучения в акустическую возрастает. При испарении частиц это связано с тем, что площадь поверхности для одинакового объема жидкости больше для мелкокапельного аэрозоля, а при взрыве частиц это связано с неоднородностью поля внутри частиц, которая возрастает с увеличением размера частиц. С увеличением воздействующей энергии лазерного импульса, как видно из рис. 2, это различие в эффективности преобразования уменьшается, так как все более глубокие слои жидкости в крупных каплях прогреваются до температуры взрывного вскипания. Для больших одиночных частиц различного размера смена хода зависимости акустического давления от плотности воздействую щей лазерной энергии (рис. 2, б) связана с переходом от испарения и взрывного вскипания поверхности освещенной полусферы капли к объемному разрушению частицы. Приводятся величины порогов взрыва и разрушения частиц различного размера, измеренные акустическим методом.

На основе проведенного обобщения результатов, полученных из оптических и акустических измерений настоящей работы и из анализа экспериментального материала других авторов [6, 8-16], построена зависимость энергетических порогов взрывного вскипания Ев и разрушения Ер частиц лазерными импульсами от размера частиц, представленная на рис. 3. Значения порогов взрывного вскипания (темные точки) практически не зависят от размера частиц для всех лазерных источников и соответствуют ~2 Дж/см2. Пороги разрушения частиц при их взрывном вскипании представлены на графике светлыми точками. Величины порогов, соответствующих кривым 1-4, получены при воздействии на частицы воды лазерными импульсами одинаковой длины волны (к = 10,6 мкм), но различной длительности. Длительность воздействия от кривой 1 (непрерывное излучение) до кривой 4 сокращается, а следовательно, при одинаковой энергии импульса увеличивается скорость нагрева частиц. Для заданного размера частиц порог разрушения тем ниже, чем выше скорость нагрева. Таким образом, порог разрушения зависит от скорости нагрева частиц лазерным излучением, причем увеличение скорости нагрева приводит к снижению пороговой

плотности энергии лазерного излучения, необходимой для полного разрушения частиц при взрыве (рис. 4).

1 2 3. 4 , Г"!

9 6,04,-

о? в в-/ ,-'/

1 ю 100

Радиус г» ■ 10й, м

Рис. 3. Пороги взрывного вскипания Е„ (темные точки) и пороги разрушения при взрывном вскипании Ер (светлые точки) для водных капель, облученных импульсом С02-лазера от радиуса частиц: / - сад [8]; 2 - /и =2-КГ6 с [И]; 3-4-10 7 с [14];

ю"

ю'

10°

4 - 8 6-3-

Скорость нагреваЛ ■ 10 , К/с

Рис. 4. Зависимость порога разрушения частиц водного аэрозоля от параметра скорости нагрева для различных радиусов частиц: 1 -г0 = 15 ; 2-20; З-ЗОмкм

•10-4 [10]; 5 - 4-10 с [12]; Ю-6 с [13]; 7 - З-Ю^с [9]; 8 -2,5 • Ю-6 с [15]; 9- 10 5 с [16]

Одним из основных параметров, помимо порогов взрывного вскипания и разрушения, является время взрыва ?„ как время от начала воздействия лазерного излучения на частицу до ее нагрева до температуры взрывного вскипания и образования зародышей паровой фазы. Для случая малых однородно поглощающих частиц (2апг0<1) зависимость /„ от скорости нагрева представлена на рис. 1, а. Зависимость времени взрыва /„ и длительности взрыва /р от размера частиц, представленная на рис. 5, а темными и светлыми точками соответственно, построена на основе проведенного анализа результатов настоящей работы и работ [9,11,15,16]. При увеличении радиуса частиц в диапазоне размеров, для которых реализуется объемное поглощение г0 < (2ап)~\ время взрыва возрастает, а при г0 > (2а„)~' время взрыва незначительно сокращается, что связано с увеличением локализации тепловыделения в центрах неоднородности поля внутри больших частиц. Полученная зависимость времени взрыва от параметра скорости нагрева для трех размеров частиц представлена на рис. 5, б. Длительность

процесса разрушения /р как время от начала взрыва до остановки продуктов разрушения (рис. 5, а, светлые точки) увеличивается с ростом начального размера капель го.

К/с

10° 10' 1(Г

Радиус го, мкм Скорость нагрева ■ 10"'

а б

Рис. 5. Зависимость времени взрыва 1В (темные точки) и длительности взрыва гр (светлые точки) от начального радиуса частиц г0: 2 - [15], 3,6-[II], 7 - [16], 10 -[9]; 1, 4, 5, 8, 9 - результаты настоящей работы (а)\ зависимость времени взрыва частиц водного аэрозоля от параметра скорости нагрева: 1 - г0 = 2,7; 2 - 20; 3 -

35 мкм (б)

Представлены результаты исследований амплитудных и временных характеристик регистрируемого акустического импульса, генерируемого при различных режимах взаимодействия лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества, и установлена связь между их величинами и режимами взаимодействия (испарение, взрыв, пробой). Регистрировались следующие характеристики акустического сигнала: амплитуды и длительности положительной и отрицательной фаз акустического импульса Р+, Р., (+, соответственно; длительность переднего фронта положительной фазы /ф; временная задержка начала регистрации акустического сигнала л,, определяемая расстоянием от объема формирования импульса давления до мембраны микрофона и скоростью звука в среде.

Показано, что при смене режимов взаимодействия наблюдаются существенные изменения формы сигнала, что приводит к изменениям в соотношениях между выбранными характеристиками (рис. 6).

На основании проведенных модельных экспериментов можно сделать вывод о том, что форма акустического сигнала, формируемого при взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества,

1\ I

I V I

I 4 I

I ЧА / I

' 4 ^

I -> I

5 10 -

о.

Испарение i Взрыв I Пробой

0,1

1 10

Плотность энергии Е, Дж/см'

Рис. 6. Зависимости от воздействующей плотности энергии лазерного излучения времени задержки начала регистрации акустического сигнала от начала воздействия лазерным импульсом t%(l), длительности переднего фронта фазы сжатия /ф (4), общей длительности фазы сжатия t+ (3) и фазы разрежения L (2)

определяется режимом взаимодействия. Полученные количественные данные амплитудных и временных зависимостей акустического давления позволяют, по их совокупности, проводить идентификацию режима взаимодействия лазерного излучения с поглощающим веществом.

В главе III представлены результаты исследования распространения мощных импульсов С02-лазера на атмосферной трассе в условиях реализации нелинейно-оптических эффектов испарения, взрыва, оптического пробоя для различных оптико-метеорологических состояний (ОМС) атмосферы. Задача транспортировки энергии лазерного излучения через атмосферу в присутствии аэрозольной компоненты остается актуальной в первую очередь из-за влияния нелинейных эффектов на качество передачи лазерной энергии на большие дистанции. Причем если для задачи распространения излучения очаги пробоя являются паразитным эффектом, то в задаче, например, лазерной проводки молниевого разряда по заданной траектории [17,18] длинная лазерная искра является эффектом необходимым. На формирование очаговой структуры заданной геометрии оказывает влияние ОМС атмосферы. В качестве диагностического инструмента можно применить акустический метод, когда об эффективности образования очагов пробоя на атмосферной трассе (их размере, протяженности в пространстве, геометрии их расположения по трассе) судят по принимаемому акустическому сигналу.

Представлены данные по акустической диагностике протяженной лазерной искры, или высокоионизированного канала, в атмосфере. На рис. 7, а представлена временная развертка акустического отклика при распространении по трассе лазерного импульса с плотностью энергии в фокусе £= 17,5 Дж/см2. Первый пик соответствует тепловому сигналу, генерируемому за счет нагрева и расширения газа в канале распространения излучения. Неоднородная структура фазы сжатия теплового сигнала определяется распределением энергии по сечению лазерного пучка. Последующие пики соответствуют сигналам от очагов пробоя на трассе распространения.

800 400 0

Тепловой сигнал Очаги пробоя

I -400

ее

-800 ^ £-17,5 Дж/см^ « Обдастьфш^усйрошф

0,1

0,2 0,3 а

0,4 0,5

, Тепловой сигнал

Рис. 7. Временная развертка акустического сигнала от канала распространения лазерного импульса: а - ОМС атмосферы - летняя устойчивая дымка; коэффициент газового поглощения атмосферы 0^ = 0,23 км"1; коэффициент аэрозольного поглощения аа = 0,271 км"1; б - ОМС атмосферы - слабый дождь; аг = 0,228 км"1; аа = 0,042 км"1; в - ОМС атмосферы - туманная дымка; аг=0,216 км"1; ая=0,33 3 км"1

Рис. 7, б иллюстрирует «звуковую дорожку», возбужденную лазерным импульсом с плотностью энергии в фокусе 0,6 Дж/см2. Плазменные очаги, вернее их акустический отклик, отсутствуют. На рис. 7, в представлена ситуация при £=16 Дж/см2, что практически не отличается от рис. 7, а, тем более, что структура распределения энергии по сечению пучка для этих пусков, согласно зарегистрированному тепловому акустическому сигналу, также отличается несущественно. Однако, как видно из рис. 7, протяженность участка трассы, заполненного очагами пробоя, сократилась почти в 3 раза и составляет ~30 м. Существенное различие представленных на рис. 7 случаев показывает, что помимо энергетического фактора важный вклад в генерацию очагов пробоя вносит оптико-метеорологическое состояние атмосферы.

Акустический метод позволяет проводить индикацию плазменных очагов, их распределение по трассе распространения лазерного излучения, а сопровождающие метеорологические и аэрозольные измерения позволяют установить связь между устойчивым развитием длинной лазерной искры с ОМС-состоянием атмосферы и выработать соответствующие рекомендации для энергетических характеристик излучения, повышающих эффективность плазмообразования в атмосфере. Кроме того, акустический метод позволяет проводить оперативную оценку эффективности плазмообразования для данного состояния атмосферы для корректировки параметров лазерного излучения при использовании превентивного пуска лазерной системы.

Комплексный анализ многолетних экспериментальных измерений по энергетическому ослаблению пучка излучения импульсного С02-лазера на горизонтальной приземной трассе при различных ОМС атмосферы [19, 20] и результатов лабораторных исследований по взаимодействию такого излучения с жидкокапельными средами позволил предложить модель прогноза энергетического ослабления мощного лазерного излучения (МЛИ) в жид-кокапельных атмосферных образованиях. Важным и одновременно парадоксальным на первый взгляд выводом является то, что чем больше начальная плотность капельной среды, тем лучше в ней распространяется лазерное излучение. Дело в том, что капельные аэрозоли (туман, морось, дождь, снег) - естественный фильтр, очищающий атмосферу от твердофазного аэрозоля, частицы которого при высоких плотностях лазерной энергии являются затравочными центрами для образования очагов плазмы оптического пробоя. Плазменные очаги являются тем нежелательным фактором, который блокирует канал распространения. Как видно из рис. 8, существуют критические плотности лазерной энергии, превышение которых ведет к существенному нелинейному ослаблению излучения за счет пробоя. Максимальные значения этой критической энергии наблюдаются для туманов, а минимальные - для слабых дождей и дымок.

Рис. 8. Изменение оптической толщи атмосферной трассы под действием импульса С02-лазера в зависимости от плотности энергии в импульсе: 1 - туманная дымка, 2 - туман, 3 - морось, 4 - дождь. Дт = т0 - тн, где т0 - невозмущенная оптическая толща трассы распространения, т„ - оптическая толща трассы после прохождения МЛИ; Е - плотность энергии МЛИ в фокальной плоскости формирующего телескопа без учета ослабляющих свойств атмосферы

Апробация модели на горизонтальной приземной трассе в реальной атмосфере проведена для оптико-метеорологических ситуаций, обеспечивающих исходную оптическую толщу вплоть до т0 = 5.

Глава IV посвящена исследованиям распространения фемтосекундных лазерных импульсов в газовой и аэрозольной средах, в том числе при фи-ламентации сфокусированных и коллимированных лазерных пучков.

Представлены результаты экспериментальных исследований взаимодействия лазерных импульсов фемто- и наносекундной длительности с аэрозольными средами. Источник лазерных импульсов - ТкБа-лазер, генерирующий импульсы X = 0,8 мкм длительностью Г„ = 80 фс и 9 не при энергии в импульсе < 17мДж. Ширина спектра излучения для нано- и фемтосекундных импульсов на полувысоте ~25 нм. Распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссову, ширина на уровне 0,135/тах составляет 8 мм [21]. В качестве модельных сред использовалась аэрозольная среда с радиусом частиц г = 2,5 мкм, концентрацией N < 107 см"3.

Измерения пропускания аэрозольным слоем лазерных импульсов фем-тосекундной и наносекундной длительности с одинаковой энергией и спектральным составом, а также непрерывного зондирующего излучения показали (рис. 9), что ослабление мощного фемтосекудного импульса практически не отличается от линейного ослабления наносекундных импульсов.

По измерениям акустического отклика при распространении фемтосекундных импульсов в аэрозоле установлено, что происходит существенное

увеличение поглощения лазерной энергии фемтосекундного импульса в сравнении с импульсами наносекундной длительности за счет реализации нелинейного поглощения в веществе частиц (рис. 10). Величина данных потерь не превышает 1 % от энергии воздействующего излучения.

« 5

§ 0,8

1 0,6 й

1 0,4

•е-

■е-

¡2 0,2 о

Рис. 9. Зависимость пропускания аэрозольного слоя от концентрации частиц

X = 0,63 мкм, непрерывное, водный аэрозоль, г = 2,5 мкм (квазимонодисперсный) X = 0,8 мкм, импульсное („ = 80 фс, водный аэрозоль, ¡У= 9 мДж X = 0,8 мкм, водный аэрозоль, расчет X = 0,8 мкм, импульсное /„ = 9 не, водный аэрозоль, IV =9 мДж

.....О.....О

2 4 6

Концентрация частиц N ■

10"

Коэффициент пропускания для X = 0,63 мкм

Рис. 10. Зависимость пикового акустического давления, генерируемого аэрозолем с частицами г0 = 2,5 мкм, от пропускания. Расстояние от микрофона до аэрозольного объема 5 см

Представлены результаты экспериментальных исследований филамен-тации сфокусированного фемтосекундного лазерного импульса. Филамента-

ция связана с перераспределением лазерной энергии в поперечном сечении пучка и образованием одного или многих интенсивных пиков при самофокусировке излучения за счет эффекта Керра и формированием так называемого нелинейного фокуса и дефокусировки на формируемой за счет увеличения интенсивности излучения плазме при многофотонной ионизации воздуха. Световой филамент характеризуется квазипостоянным значением пиковой интенсивности излучения 1р, значением поперечного размера гр и концентрации электронов Л7,,;,- (в воздухе //,- 1014 Вт/см2, гР~ 70+150 мкм, Ыер ~ 1015-1018 см-3 при Х0 = 0,8 мкм [24]), которые определяются характеристиками среды [22]. Плазменный филамент (нить) - плазменный след, оставляемый световым филаментом в среде и существующий в течение наносекунд после прохождения импульса до рекомбинации ионизированного состояния. Уточнения моделей филаментации как последовательности нелинейных фокусов или самонаведенного волноводного канала продолжаются до настоящего времени [23, 24].

Измерения положения нелинейного фокуса и длины филамента при фокусировке лазерного импульса с X = 0,8 мкм длительностью /и = 80 фс зеркалами с фокусными расстояниями/= 130 и 86 см проводились акустическим методом. На рис. 11 представлена осциллограмма акустического сигнала, принимаемого микрофоном, расположенным соосно с лазерным пучком на расстоянии 61 см от фокусирующего зеркала с/= 86 см и на расстоянии 2 см от лазерного пучка.

0,024

л С

§ 0,018

о 0,006

0,000

х -0,006

-0,012

-0,018

1 Границы области филаментации '

/ V

2 Л з I

Расстояние Д, см

Рис. 11. Акустический сигнал, генерируемый пучком лазерного излучения, регистрируемый в продольном направлении. Давление приведено к расстоянию 1 м. Расстояние от фокусирующего зеркала: Яф = Я + 61 см

Первый пик осциллограммы соответствует сигналу от лазерного пучка в непосредственной близости от микрофона, второй - началу филамента, т.е. его границе, расположенной ближе к источнику лазерного излучения, а третий пик - дальней границе филамента.

Показано (рис. 12), что при острой фокусировке лазерного пучка увеличение его начальной энергии (при заданной длительности импульса это означает увеличение мощности) приводит к смещению нелинейного фокуса от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению начальной энергии импульса. При этом водный аэрозоль с N> 103 см~ не вносит существенных особенностей в трансформацию лазерного пучка, что позволяет говорить о возможности использования водного аэрозоля в качестве линейного ослабителя лазерной энергии для управления положением нелинейного фокуса и пространственным положением филамента.

Представлены результаты экспериментов по трансформации спектра излучения лазерного импульса при его филаментации. Известно, что фи-ламентация лазерного пучка приводит к генерации суперконтинуума.

135 130 125 120 115 110 .. 105 " 100 of 95 90 85 80 75 70 65

Рис. 12. Зависимость положения начала (2,4) и конца (/, 3) области филаментации от энергии лазерного импульса (Г для двух фокусирующих зеркал; 5, 6 - теоретические зависимости согласно [25]

Симметричное уширение спектра лазерного излучения обусловлено его фазовой самомодуляцией под влиянием керровской нелинейности. Сдвиг в коротковолновую область связан с появлением в среде распространения плазмы. Получено существенное расширение спектрального контура излучения как в «синюю», так и в «красную» области по отношению к цен-

W, мДж

тральной длине волны 0,8 мкм, которое увеличивается с возрастанием

Длина волны X, нм

Рис. 13. Вид спектров свечения филаментированного лазерного пучка при различных мощностях лазерного импульса: 1 - 60,2 - 85,3 - 100 ГВт

При этом изменяется не только полуширина спектрального распределения АХ (рис. 14, а), но и его форма кх, которая приобретает более выраженное «синее» крыло (рис. 14, б). Поскольку длина филамента пропорциональна начальной мощности излучения, аД1и1г растут с увеличением мощности пучка (рис. 14), величина спектральной полуширины излучения и смещение центра тяжести зависят от длины филамента.

а б

Рис. 14. Зависимость полуширины спектрального распределения (а) и зависимость положения центра тяжести спектрального контура излучения (б) от начальной пиковой мощности лазерного импульса Ра, нормированной на критическую мощность самофокусировки Ркр = 3,2 ГВт

Представлены результаты экспериментальных исследований трансформации угловых характеристик сфокусированного лазерного пучка при его филаментации. Данные получены при различной начальной энергии в фемтосекундном импульсе, что для параметров излучения, использованных в эксперименте, соответствовало режимам самовоздействия при докри-тической (рис. 15, а) и надкритической (рис. 15,6, в) мощности на расстоянии 2 = 543 см от фокусирующего зеркала с фокусным расстоянием 86 см.

Сравнение поперечных профилей плотности световой энергии излучения в конце оптической трассы, полученных в эксперименте (кривая 5) и рассчитанных теоретически (кривые 1, 2), показано на рис. 16.

а б в

Рис. 15. Восстановленные поперечные распределения плотности энергии в лазерном пучке за областью фокусировки при его распространении в воздухе (г = 543 см) с начальной энергией 0,11 (а), 2,64 (б), 12,1 мДж (б)

Координатам, мм

Рис. 16. Поперечный профиль (вертикальное сечение) плотности лазерной энергии фокусированного пучка в точке г = 543 см при начальной относительной мощности импульса Р/Ркр = 7. Экспериментальные данные (кривая 3); численный расчет проведен при учете ионизации воздуха по моделям МФИ (/) и ППТ (2)

Экспериментально измеренный профиль имеет более широкий пространственный масштаб, чем это следует из численного моделирования, проведенного с использованием стандартных значений параметров оптической нелинейности (кривая 1). Причина этого в существовании особенностей самовоздействия светового пучка с остросфокусированной геометрией, а именно в изменении характера нелинейного отклика среды при высоких значениях интенсивности излучения.

На основе эмпирических данных по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке рассчитывалась эволюция его среднеквадратичного радиуса вдоль трассы. Полученные результаты затем сравнивались с результатами численных расчетов [26], проведенных в рамках теоретической модели нелинейного уравнения Шредингера (НУШ). При остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели НУШ. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования модели фотоионизации Попова-Переломова-Терентьева (ППТ) [27] вместо механизма многофотонной ионизации (МФИ). Указанные особенности напрямую связаны с достижением высоких значений интенсивности световой волны (~1014 Вт/см2) при совместном действии острой начальной фокусировки и керровской нелинейности.

Представлены результаты исследований пороговых характеристик повреждений наиболее характерных оптических элементов систем, работающих при решении задач атмосферной оптики. Определены пороги пробоя, которые лежат в области плотностей энергии Е = 0,1-3,0 Дж/см2. Исследованы спектры лазерного излучения, прошедшие через образцы. Показано, что спектр существенно уширяется, причем уширение спектра в коротковолновой области простирается до ультрафиолетового диапазона. Увеличение коэффициента преобразования энергии лазерного излучения из центральной длины волны в свечение суперконтинуума, при возрастании воздействующей энергии импульса, прекращается.

Приведены результаты экспериментальных исследований филамента-ции лазерных пучков на атмосферной трассе (рис. 17).

Зафиксированы существенные флуктуации структуры пучка при фила-ментации на атмосферной трассе при флуктуациях энергии импульса, не превышающей 20%. Показано, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляются длительностью (а, б) и энергией (в, г) лазерного импульса.

Пространственная структура лазерного пучка после филаментации имеет яркое центральное пятно, в котором локализованы филаменты, и ореол

из монохромных колец (от красного до синего) с чередованием максимумов и минимумов освещенности.

Исследованы угловые и спектральные характеристики фемтосекундно-го импульса в зависимости от его начальной энергии и длительности при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации. Получены зависимости диаметра ореола от энергии, длительности и мощности лазерного импульса.

Рис. 17. Пучок на экране на расстоянии 85 м от источника: а - ги = 7,5пс, IV= = 51 мДж; 6 - /н = 120 фс, Ж=60 мДж; в- ?и = 50фс, Ш= 12мДж; г - гн = 50фс,

IV =60 мДж

В заключении на основе проведенных исследований взаимодействия лазерных импульсов микро-, нано-, пико- и фемтосекундной длительности с газовыми и аэрозольными средами сформулированы следующие наиболее важные результаты и выводы.

1. По экспериментальным данным изменений оптических характеристик водного аэрозоля, обусловленных взрывом частиц в поле лазерного

излучения X = 10,6 мкм, получены значения параметров процесса взрыва малых однородно поглощающих частиц (времени взрыва, взрывной степени испарения, размера осколков) и их зависимости от величины поглощенной энергии и скорости нагрева. Оптическим и акустическим методами измерены пороги взрывного вскипания малых однородно поглощающих аэрозольных частиц в поле лазерных импульсов микросекундной длительности. Полученные данные легли в основу полуэмпирической модели взрыва малых частиц водного аэрозоля в поле лазерного импульса, устанавливающей количественную связь между основными характеристиками взрыва частиц и параметром скорости нагрева частицы.

2. Показано, что для аэрозоля, состоящего из малых частиц, после взрыва наблюдаются увеличение прозрачности и уменьшение рассеивающих свойств области взаимодействия для видимого и инфракрасного излучений. Увеличение доли крупной фракции в исходном аэрозоле приводит к замут-нению канала распространения для видимого диапазона.

3. Определен энергетический порог взрывного разрушения крупных неоднородно поглощающих частиц и его зависимости от скорости нагрева лазерным излучением и размера частиц. Показано, что с увеличением скорости нагрева и уменьшением размера частиц порог разрушения уменьшается. Получена зависимость времени начала взрыва и длительности взрыва от размера частиц. Время взрыва с ростом г0 при г0 < ос^1 возрастает, а при г0 > с<п' сокращается. Длительность взрыва возрастает с увеличением размера капель. Показано, что увеличение скорости нагрева капель приводит к снижению времени взрыва. На основе полученных экспериментальных данных разработана полуэмпирическая модель светоиндуцированного фазового взрыва больших неоднородно поглощающих капель.

4. На основе комплексных исследований энергетического ослабления мощного лазерного излучения микросекундной длительности на натурной трассе при различных ОМС атмосферы и исследований механизмов взаимодействия лазерного излучения с частицами аэрозоля в контролируемых лабораторных условиях выявлены закономерности изменения коэффициента ослабления излучения с Х = 10,6 мкм, зависящие от микрофизичеких параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров пучка излучения. Предложена модель оценки эффективности пропускания лазерного излучения атмосферой.

5. Показано, что акустический метод позволяет проводить индикацию плазменных очагов, их распределение по трассе распространения лазерного излучения, а сопровождающие метеорологические и аэрозольные измерения позволяют установить связь между устойчивым развитием длинной лазерной искры с оптико-метеорологическим состоянием атмосферы и выработать

рекомендации для энергетических характеристик излучения, повышающих эффективность плазмообразования в атмосфере.

6. Оптическими и акустическими исследованиями показано, что ослабление фемтосекундных импульсов мелкокапельным водным аэрозолем в диапазоне концентраций частиц 103-107 см"3 можно считать квазилинейным, несмотря на существенное увеличение поглощенной лазерной энергии в веществе частиц аэрозоля при воздействии фемтосекундных импульсов в сравнении с наносекундными импульсами той же энергии и спектрального состава.

7. Измеренная зависимость положения нелинейного фокуса от энергии лазерного импульса показала, что при фокусировке лазерного импульса нелинейный фокус смещается от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению энергии или мощности лазерного импульса.

8. Полученные экспериментальные данные свидетельствует о том, что преимущественный рост спектральной ширины импульса происходите зоне филаментации пучка, где максимальна его интенсивность. Получена зависимость ширины и смещения центра тяжести спектра свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации от длины филамента.

9. Сравнение полученных экспериментальных результатов по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке с результатами численных расчетов показало, что при остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования ППТ-модели фотоионизации атомов газа вместо механизма МФИ.

10. Проведены эксперименты по филаментации лазерного пучка на атмосферной трассе. Показано, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляются энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

11. Экспериментально исследованы угловые и спектральные характеристики чирпированного излучения фемтосекундного лазера в зависимости от начальной энергии и длительности лазерного импульса при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации.

Литература, цитируемая в автореферате

1. Зуев В.Е., Земляное А.А., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы. Л.: Гид-рометеоиздат, 1989. 253 с.

2. Lidinger A., Hagen J., Socasiu L., Bernhardt T.M., Woste L., Duft D., Leisner T. Time-resolved explosion dynamics of H20 droplets induced by femtosecond laser pulses // Appl. Opt. 2004. V. 43. N 27. P. 5263-5269.

3. Sartania S., Cheng Z, Lenzner M„ Tempea G., Spielmann Ch., KrauszF., Ferencz K. Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a I-kHz repetitionrate // Opt. Lett. 1997. V. 22. N20. P. 1562.

4. Kitagawa Y., Fujita K, Kodama R. et al. Prepulse-free petawatt laser for a fast ignitor // IEEE J. Quantum Electron. 2004. V. 40. P. 281-293.

5. Кузиковсшй A.B., Погодаев B.A., Хмелевцов C.C. Испарение водной капли под действием светового импульса // Инженерно-физ. ж. 1971. Т. 20. С. 21-25.

6. Armstrong R.L., Pinnick R.G., Biswas A. Micron-sized droplets irradiated with pulses C02 laser: measurement of explosion and breakdown thresholds // Appl. Opt. 1990. V. 29. N7. P. 918-925.

7. Зуев В.E., Земляное А.А. Взрывы капель под действием интенсивного лазерного излучения // Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1983. Т. 16. № 2. С. 53-65.

8. Коровин В.Я., Иванов Е.В. Экспериментальное исследования воздействия излучения С02-лазера на капли воды // III Всесоюз. симпоз. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1975. С. 93-94.

9. Armstrong R.L., PinnickR.G., Biswas A. Delay of Explosive Vaporization in Pulsed Laser Heated Droplets // Opt. Lett. V. 15. N 14. P. 208-209.

10. KwokH.S., Rossi T.M., Lau W.S. et al. Enchanced Transmission in C02-Laser-Aerosol Interractions // Opt. Lett. 1988. V. 13. N 3. P. 192-194.

11. Caressa J,P., AutricM., ViglianoP. et al. Pulsed C02 laser-induced effects on water droplets // AIAA J. 1988. V. 26. N 1. P. 65-71.

12. Armstrong R.L., Pinnick R.G., Xie J.-G. Multiple superheating thresholds of micrometer-sized droplets irradiated by pulsed C02 lasers // Opt. Lett. 1991. V. 16. N 15. P. 1129-1131.

13. Земляное A.A., Кабанов A.M. Сигналы светорассеяния от модельного аэрозоля при воздействии импульсов интенсивного излучения С02-лазера // Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. № 7. С. 691-694.

14. Armstrong R.L., Zemfyanov А.А., Geints Yu.E., Kabanov A.M. Investigation of laser induced destruction of droplets by acoustic methods // Appl. Opt. 1996. V. 35. N 30. P. 6062-6068.

15. Kafalas P., Ferdinand A.P. Fog droplet vaporization and fragmentation by a 10.6 mm laser pulse // Appl. Opt. 1973. V. 12. N 1. P. 29-34.

16. Singh P.I., Knight C.P. Pulsed laser-induced shattering of water drops // AIAA J. 1988. V. 18. N1. P. 96-100.

17. Стариков A.A., Резунков Ю.А. Управление разрядом молний с помощью лазерного излучения // Оптич. ж. 1999. Т. 66. № 3. С. 15-16.

18. See Leang Chin, Kenzo Miyazaki. A comment on lightning control using a femtosecond laser// Jap. J. Appl. Phys. A. 1999. V. 38. N 4. P. 2011-2012.

19. Погодаев В.А. Влияние аэрозольной компоненты атмосферы на распространение лазерного излучения в условиях взрывного разрушения частиц // Изв. вузов. Физика. 1990. № 1. С. 123. Деп. ВИНИТИ 05.10.89. Т. 33. № 6130-В89. 29 с.

20. Бочкарев Н.Н., ГейнцЮ.Э., Земляное А.А., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оперативная оценка ослабления мощного излучения импульсного С02-лазера на приземных атмосферных трассах // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. №7.

C. 700-707.

21. Бабин А.А., Киселев A.M., Сергеев A.M., Степанов А.Н. Тераваттный фемтосе-кундный титан-сапфировый лазерный комплекс // Квант, электрон. 2001. Т. 13. № 7. С. 623-626.

22. CouaironA., Mysyrowicz A. Femtosecond filamentation in transparent media / Preprint submitted to Physics Report. 2006. 226 p.

23. ChinS.L., ChenY., KosarevaO., Kandidov V.P., Theberge F. What is filament? // Laser Physics. 2008. V. 18. N 8. P. 962-964.

24. Кандидов В. П., ШлёновС.А., Косарева ОТ. Филаментация мощного фемтосекунд-ного лазерного излучения // Квант, электрон. 2009. Т. 39. № 3. С. 205-228.

25. Власов С.Н., Таланов В. И. Самофокусировка волн. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1997. 200 с.

26. Zemlyanov А.А., Geints Yu.E. Zonal model of nonstationary self-focusing of femtosecond laser radiation in air: effective beam characteristics evolution // Europ. Phys. J.

D. 2007. V. 42. N l.P. 349-357.

27. Переломов A.M., Попов B.C., Терентьев M.B. Ионизация атомов в переменном электрическом поле // Ж. эксперим. и теор. физ. 1966. Т. 50. С. 1393-1397.

Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1. Бочкарев Н.Н., ГейнцЮ.Э., Земляное А. А., Кабанов A.M., Красненко Н.П. Режимы генерации звука жидкокапельным аэрозолем различного типа под действием лазерного излучения // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 10. С. 111-112.

2. Афонин М.А., Донченко В.А., Земляное А.А., Земляное Ал.А., Кабанов A.M. Диагностика структуры интенсивного лазерного пучка методами РВТ // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 12. С. 108-110.

3. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Временные характеристики акустического сигнала, генерируемого малым объемом жидкости в мощном световом поле // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 9. С. 1233-1235.

4. Бочкарев Н. Я., ГейнцЮ.Э., Земляное А.А., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оперативная оценка ослабления мощного излучения импульсного С02-лазера на приземных атмосферных трассах // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. П. № 7. С. 700-707.

5. Бочкарев Н. Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Исследование динамики объема аэрозольных частиц, облучаемых лазерным импульсом, по временным характеристикам акустического отклика // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 487-491.

6. Бочкарев H.H., Земляное A.A., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Акустическая диагностика очагов пробоя в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 12. С. 1141-1144.

1. A.c. № ¡672811, MKH3G01N21/39. Способ измерения показателя поглощения жидко капельного аэрозоля. Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Кабанов A.M., Никифорова О.Ю. 1989.

8. A.c. № 1611066. Способ определения параметров аэрозоля. Землянов A.A., Кабанов A.M., Мальцева Г.А., Панченко М.В. 1990.

9. A.c. № ¡672811. Способ измерения объемной концентрации аэрозольных частиц. Бочкарев H.H., Гейнц Ю.Э., Кабанов A.M., Красненко Н.П., Землянов A.A., Погодаев В. А., Рождественский А.Е. 1991.

10. Землянов A.A., Кабанов A.M. Сигналы светорассеяния от модельного водного аэрозоля, подвергнутого действию импульсов интенсивного излучения С02-лазера // Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. № 7. С. 691-694.

11. Агеев Б.Г., Землянов A.A., КабановА.М., Пономарев Ю.Н. Оптико-акустические исследования поглощательной способности газово-аэрозольных сред // Оптика атмосферы. 1992. Т. 5. № 2. С. 138-142.

12. Армстронг Р.Л., Землянов A.A., Кабанов A.M. Экспериментальное исследование акустического сигнала от одиночных аэрозольных частиц в интенсивном световом поле // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 9. С. 1236-1240.

13. Землянов A.A., КабановА.М. Энергетические пороги и временные характеристики взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц в поле излучения С02-лазера // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 8. С. 1165-1169.

14. Armstrong R.L., Zemlyanov A.A., Geints Yu.E., KabanovA.M. Investigation of laser induced destruction of droplets by acoustic methods // Appl. Opt. 1996. V. 35. N 30. P. 6062-6068.

15. Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Зуев В. E., КабановА.М., Погодаев В.А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 260 с.

16. Бочкарев H.H., КабановА.М., Погодаев В.А. Оптоакустика канала распространения мощного лазерного излучения в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. №9. С. 816-821.

17. Новикова Т.В., ФокинВ.А., Стахин H.A., БразовскийК.С., КабановА.М., КарасьС.И., Фокин В.А., Кистенев Ю.В., Пеккер Я.С., Свищенко В.В., Рязанцева Н.В. Современные физико-математические методу анализа медико-биологических данных: Уч. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2004. 336 с.

18. Бочкарев H.H., Землянов A.A., Землянов Ал.А., КабановА.М., Карташов Д.В., КибиткинП.П., Матвиенко Г.Г., Степанов А. Н. Флуоресценция красителя в жид-кокапельной форме при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами // Изв. вузов. Физика. 2005. Т. 48. № 4. С. 15-19.

19. Бочкарев H.H., Землянов A.A., Земляное Ал.А., КабановА.М., Карташов Д. В., Кирсанов A.B., Матвиенко Г.Г., Степанов А Н. Экспериментальное исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 12. С. 971-975.

20 .Агеев Б.Г., КабановА.М., Пономарев Ю.Н., Кистенев Ю.В., Никифорова О.Ю., Капилевич Л.В., Романовский O.A., Харченко О.В., Дьякова И.Ю. Приложение лазеров в биологии и медицине: Уч. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2006. 152 с.

21. Адамишин И.Г., Апексгшов Д.В., Асыпбеков P.A. Быкова Е.Е., Земляное A.A., Кабанов A.M., Протасевич Е.С., Черепанова Т.В. Исследование эффективности транспортировки мощного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере // Изв. вузов. Физика. 2006. Т. 49. № 3. С. 202-203.

22. Бочкарев U.U., Кабанов A.M., Протасевич Е.С., Черепанова Т.В. Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с газово-аэрозольными средами // Изв. вузов. Физика. 2006. Т. 49. № 3. С. 248-249.

23. Бочкарев H.H., Земляное Ал.А., Кабанов A.M., Кистенев Ю.В., Погодаев В.А., Пономарев Ю.И., Романовский O.A., Степанов А.Н., Тихомиров Б.А. Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с биологическим веществом. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 121 с.

24. Багаев СЛ., Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г. Г., Пестряков Е.В., Степанов А.Н., Трунов В.И. Лабораторные и численные эксперименты по прохождению мощного лазерного фемтосекундного излучения через воздушную и капельную среды // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 5. С. 413^119.

25. Агеев Б.Г., Бочкарев H.H., Земляное Ал.А., Кабанов A.M., Кистенев Ю.В., Матвиенко Г.Г., Никифорова О.Ю., Капилевич В.Л., Погодаев В.А., Пономарев Ю.Н., Тихомиров Б.А. Применение методов лазерной спектроскопии и нелинейного анализа для исследования медико-биологических объектов. Томск: Изд-во ТПУ, 2007.215 с.

26. Кабанов A.M., Кистенев Ю.В., Никифорова О.Ю., Пономарев Ю.H. Современная аппаратура лазерного газоанализа для медицинских приложений: Уч. пособие. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2008. 96 с.

27. Bagaev S.N., Zemlyanov A.A., Geints Yu.E., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Pestrya-kov E.V., Stepanov S.M., Trunov V.l. Effective parameters of high-power laser femtosecond radiation at self-focusing in gas and aerosol media // Self-focusing: Past and Present. Springer-IQEC, 2009. 605 p.

28. Бочкарев H.H., КабановА.М., Степанов A.H. Пространственная локализация области филаментации вдоль трассы распространения сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе И Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 10. С. 861-865.

29. ЗахаровН.С., БодровС.Б., ЗемляновА.А., КабановА.М., СтепановА.Н., ХолодС.В. Учет хроматических аберраций при измерениях спектральных характеристик излучения // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 10. С. 902-905.

30. Бочкарев H.H., КабановА.М., Погодаев В.А. Пространственная самокоррекция пятнистой структуры излучения мощных импульсных лазеров при оптическом пробое на атмосферных трассах // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 9. С. 809-815.

31. Земляное A.A., КабановА.М., СтепановА.Н, БодровС.Б., ЗахаровН.С., ХолодС.В. Воздействие фемтосекундных импульсов Ti:Sa-na3epa на оптические материалы // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 4. С. 332-339.

32. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Самовоздействие остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе в режиме одиночной и множественной филаментации. Лабораторные и численные эксперименты // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 2. С. 119-125.

33. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Погодаев В.А. Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 10. С. 931-936.

34. Апексимое Д.В., Гейнц Ю.Э., Захаров Н.С., Земляное A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Степанов А.К, Холод С.В. Распространение мощного ультракороткого лазерного импульса на горизонтальной атмосферной трассе // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № И. С. 1035-1041.

Печ. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ № 37.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН им. В.Е. Зуева

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Кабанов, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

Взаимодействие мощного лазерного излучения с однородно поглощающими аэрозольными частицами.

1.1 Экспериментальная методика определения характеристик процесса взрывного вскипания.

1.2 Результаты измерений характеристик процесса взрывного вскипания частиц водного аэрозоля.

1.3 Модель взрывного вскипания однородно поглощающей частицы в поле лазерного импульса.

Выводы по главе.

ГЛАВА II

Взаимодействие мощного лазерного излучения с неоднородно поглощающими частицами аэрозоля.

2.1. Исследования взрыва неоднородно поглощающих частиц по сигналу светорассеяния.

2.1.1. Экспериментальная методика исследования взрыва аэрозольных частиц по сигналу светорассеяния.

2.1.2. Сигналы светорассеяния при взрывном вскипании и разрушении частиц пол и дисперсного аэрозоля.

2.2. Исследования взрыва неоднородно поглощающих частиц под действием лазерного импульса по акустическому отклику.

2.2.1. Экспериментальная методика акустической диагностики процесса взрыва неоднородно поглощающих частиц.

2.2.2. Результаты исследований взрыва аэрозольных частиц в поле мощного лазерного излучения по акустическому отклику.

2.3. Разрушение неоднородно поглощающих аэрозольных частиц при их взрывном вскипании.

Выводы по главе.

ГЛАВА III

Распространение интенсивных лазерных импульсов на атмосферных трассах в условиях реализации нелинейно-оптических эффектов. ЮЗ

3.1 Акустическая диагностика эффективности формирования очагов пробоя в атмосфере.

3.2 Геометрия плазменных очагов при распространении интенсивных лазерных пучков в атмосфере.

3.3 Модель нелинейного коэффициента аэрозольного ослабления при его взрывном вскипании и разрушении.

3.4 Эффективность передачи энергии МЛИ на приземных атмосферных трассах.

Выводы по главе.

ГЛАВА IV

Распространение лазерных импульсов фемтосекундной длительности в газовых и аэрозольных средах.

4.1 Распространение фемтосекундных импульсов в аэрозоле.

4.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.1.2 Результаты экспериментов по распространению фемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле.

4.2 Филаментация сфокусированного лазерного пучка.

4.2.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.2.2 Результаты экспериментов по филаментации сфокусированного лазерного импульса.

4.3 Трансформация спектра лазерного импульса при его филаментации.

4.3.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.3.2 Результаты экспериментов по трансформации спектра лазерного импульса при филаментации.

4.4 Пространственные характеристики сфокусированного лазерного пучка при его филаментации.

4.4.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.4.2 Результаты экспериментов по трансформации пространственной структуры лазерного пучка при филаментации.^ ^

4.5 Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с конденсированными средами.^з

4.5 Экспериментальные исследования филаментации мощных лазерных импульсов атмосфере.^

Выводы по главе.

Введение диссертация по физике, на тему "Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах"

Актуальность исследований

Нелинейная атмосферная оптика, являясь одним из разделов современной атмосферной оптики, начала развиваться в 70-ые годы прошлого века и стабильно наращивает развитие, трансформируя и расширяя круг задач в соответствии с развитием лазерной техники.

Актуальность исследований распространения лазерных импульсов микросекундной длительности, генерируемых на колебательных переходах двуокиси углерода, в силу больших кпд, определялась практической потребностью передачи лазерной энергии, созданных в 70-ые годы прошлого века источников, через атмосферу. При этом аэрозольная фракция, практически всегда в том или ином виде присутствующая в атмосфере, является наиболее значимой, с точки зрения ослабления лазерного излучения. Основным и наиболее распространенным аэрозолем атмосферы, влияющим на условия распространения лазерного излучения, является водный аэрозоль - дождь, морось, туман, облака.

Взаимодействия мощного лазерного излучения с ансамблями водных частиц протекает различным образом в зависимости от длины волны лазерного излучения, что определяет поглощающие свойства капель, длительности лазерного импульса, определяющей мощность излучения, размера частиц от которого зависит степень неоднородности распределения световых полей по объему аэрозольной частицы.

Для импульсного излучения СОг-лазеров микросекундной длительности энергетические пороги нелинейно-оптических эффектов, испарение, взрыв, фрагментация, оптический пробой частиц водного аэрозоля составляют от нескольких л до несколько десятков Дж/см , поэтому учет данных эффектов необходим в задаче транспортировки мощных пучков в аэрозольной атмосфере. Для прогноза эффективности передачи лазерной энергии в заданную область пространства необходим учет трансформации оптических свойств среды при распространении в ней мощного лазерного излучения. Построение модели ослабления излучения аэрозольной атмосферой невозможно без первоначального моделирования процесса взаимодействия излучения с отдельной аэрозольной частицей и оптических последствий этого взаимодействия. Поскольку задача, в силу многообразия взаимовлияющих факторов, достаточно сложна для чисто теоретического моделирования, необходима экспериментальная информация о количественных характеристиках процессов [4]. Поэтому к моменту начала исследований в проблеме прогноза распространения мощного лазерного излучения в атмосфере стояла задача о построении полуэмпирических моделей взаимодействия излучения с водным аэрозолем. При этом важно не только промоделировать возможные сценарии взаимодействия и их последствий в контролируемых лабораторных условиях, определить необходимый минимум измеряемых в эксперименте характеристик, но и верифицировать имеющиеся массив натурных измерений.

Данное направление исследований актуально и в настоящее время, но уже в задачах распространения коротких и ультракоротких лазерных импульсов в слабопоголощающем аэрозоле [215]. При этом причиной фрагментации практически прозрачных для длины волны наиболее часто используемых фемтосекундных лазерных импульсов (X - 0,8 мкм) капель воды, служит не прямой нагрев за счет поглощения, а формирование плазменных очагов внутри частиц за счет многофотонной и каскадной ионизации, рекомбинация плазмы и разрушение частиц с формированием аэрозоля с новой микроструктурой, определяющей дальнейшие условия распространения излучения.

Развитие нового перспективного направления лазерной техники -фемтосекундной оптики - открыло новый широкий круг задач, в том числе и для атмосферной оптики. К настоящему времени достигнуты длительности менее десяти фемтосекунд [216] и, соответственно, гигантские, вплоть до петаватт [217], мощности излучения, при которых реализуются ранее недостижимые в атмосфере нелинейно-оптические эффекты, такие как филаментация лазерного пучка, генерация суперконтинуального свечения, неупругое рассеяние, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость всестороннего изучения физики взаимодействия такого излучения с газовой и аэрозольной компонентами атмосферы, исследования количественных проявлений реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики, таких как например, проводка молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы с помощью лидаров белого света, нелинейная спектроскопия атмосферы. Следует отметить, что количество публикаций в российской печати в данной области, посвященных теоретическому моделированию на порядок превышает количество экспериментальных исследований. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между характеристиками излучения и наведенными оптическими свойствами атмосферного канала распространения, несомненно, актуально в настоящее время.

Цель и задачи исследования

Целью работы является экспериментальные исследования проблемы самовоздействия при распространении в газово-аэрозольной атмосфере мощных лазерных импульсов в диапазоне длительностей от микросекунд до фемтосекунд в различных спектральных диапазонах лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

Экспериментальное исследование взаимодействия интенсивных лазерных импульсов микросекундной длительности с частицами поглощающего жидкокапельного аэрозоля. Определение минимального набора характеристик взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц, достаточного для описания оптических последствий этих процессов. Получение количественной информации об этих характеристиках и их зависимостей от параметров лазерного воздействия, для создания полуэмпирической модели светоиндуцированного взрыва водного аэрозоля.

Исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем, особенностей филаментации сфокусированных лазерных пучков, трансформации спектральных характеристик излучения и пространственного распределения энергии в поперечном сечении лазерного импульса при его филаментации, а также филаментации лазерных импульсов пикои фемтосекундной длительности в атмосфере в режиме частотной модуляции импульса.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Физическим содержанием полуэмпирической модели лазерно-индуцированного фазового взрыва жидкости в капельной форме является зависимость времени взрыва капель, степени испарения и дробления частиц аэрозоля при взрыве от скорости выделения теплоты в материале частицы. Энергетический порог полного разрушения поглощающих капель в поле микросекундных лазерных импульсов возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева.

2. При распространении мощного импульсного излучения СОг-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения. Разработанная на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных экспериментов эмпирическая модель, позволяет осуществлять прогноз эффективности транспортировки лазерной энергии.

3. При взаимодействии мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с жидкокапельным аэрозолем из слабопоглощающих микрочастиц реализуется поглощение излучения в веществе частиц превышающее поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава. Аэрозольная 7 среда (с концентрацией частиц в диапазоне 1(Г -10' см") для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.

4. Экспериментами по фокусировке фемтосекундного лазерного импульса в нелинейную воздушную среду установлено значительно большее увеличение угловой расходимости пучка, после прохождения им фокуса, чем предсказывает традиционная модель керровской нелинейности. Эмпирические данные послужили основой для оптической модели взаимодействия остросфокусированных ультракоротких лазерных импульсов с воздухом. Ширина и смещение максимума свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации определяются эффективной длиной филамента.

5. Разработанная методика совместной регистрации оптического и акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом атмосферы, позволяет определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения поглощательных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, определять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натурных и лабораторных экспериментов.

Достоверность научных результатов подтверждается: методической проработкой регистрации и обработки оптических и акустических сигналов; корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок; использованием в качестве приемников оптических и акустических сигналов сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов; статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями; совпадением результатов, полученных в настоящей работе с использованием независимых экспериментальных методик, совпадением результатов, полученных в настоящей работе с результатами других работ, для частных случаев совпадения условий экспериментов; соответствием полученных экспериментальных данных результатам модельных теоретических расчетов, проведенных другими авторами.

Научная новизна результатов

2. Экспериментально исследованы закономерности формирования акустического сигнала от аэрозоля с различной микроструктурой и от одиночных частиц различного размера. На основе впервые измеренных зависимостей амплитуды акустического отклика на лазерно-индуцированные фазовые переходы в частицах от размера частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения установлены значения величин порогов взрыва и разрушения частиц.

3. По полученным из оптических и акустических измерений значениям порогов взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц при взрывном вскипании, впервые установлена зависимость величины данных порогов от размера частиц и скорости нагрева их лазерным излучением.

4. На основе полученных из оптических и акустических измерений данных о последствиях взрывного вскипания и разрушения полидисперсного водного аэрозоля и одиночных частиц различного размера построена модель взрыва водного аэрозоля произвольной микроструктуры в поле импульсного лазерного излучения, позволяющая проводить оценку пропускания аэрозольной среды, сформированной при прохождении лазерного импульса.

5. Установлено, что совместная регистрация оптических и акустических последствий взрыва аэрозольных частиц в поле лазерного импульса могут быть использованы для дистанционного бесконтактного восстановления распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка повышенной интенсивности и концентрации аэрозольных частиц.

7. На основе проведенного сопоставительного анализа данных по энергетическому ослаблению пучка излучения импульсного С02-лазера на горизонтальной приземной трассе и результатов лабораторных исследований по взаимодействию такого излучения с дисперсными средами предложена модель прогноза энергетического ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях.

8. Экспериментально установлено, что при распространении фемтосекундных импульсов в аэрозоле происходит увеличения поглощенной энергии фемтосекундного импульса в сравнении с импульсами наносекундной длительности за счет реализации нелинейно-оптических эффектов в веществе частиц водного аэрозоля. При этом впервые установлено, что ослабление фемтосекундных импульсов водным аэрозолем в диапазоне концентраций частиц 10 - 10 см° молено считать квазилинейным.

9. Проведены измерения акустическим методом размера области филаментации фокусированного лазерного субтераваттного гауссова пучка и положения нелинейного фокуса.

10. Экспериментальные исследования поперечной энергетической структуры сфокусированного фемтосекундного лазерного импульса, показали, что увеличение дефокусирующих свойств образующегося в канале лазерного пучка плазменного филамента приводит к повышению угловой расходимости световой волны после нелинейного фокуса, которая не может быть описана стандартными параметрами оптической нелинейности среды.

11. Измерено уширение спектрального контура излучения, происходящее при филаментации исходного пучка. При этом изменяется не только полуширина спектрального распределения, но и его форма, которая приобретает значительно более выраженное «синее» крыло. Впервые установлена количественная связь смещения центра тяжести спектрального контура излучения в коротковолновую область и полуширины спектрального контура с протяженностью зоны филаментации.

12. Впервые в России проведены исследования филаментации коллимированного лазерного пучка на атмосферной трассе, при этом положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе, а, следовательно, и спектральный состав суперконтинуального свечения, эффективно управляется энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

Научная и практическая значимость

Результаты, полученные в работе, расширяют и углубляют представления о физике процессов взаимодействия интенсивных лазерных пучков с конденсированным веществом в дисперсном состоянии при реализации фазовых переходов в веществе частиц. Полученные количественные экспериментальные данные об изменении микрофизических свойств аэрозоля в канале распространения лазерного пучка позволяют моделировать наиболее эффективные, с точки зрения передачи энергии, характеристики лазерных систем, работающих в реальной атмосфере при ее различных метеорологических состояниях. Полученные количественные экспериментальные данные о трансформации спектральных и пространственных характеристик ультракоротких лазерных импульсов при их распространении и филаментации в атмосфере позволили уточнить теоретические модели взаимодействия мощных импульсов с веществом атмосферы. Материалы, представленные в диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов №95031, № 1498, №П367, № РИ-16.0/019, №217/3, №256, №02.740.11.0083, №6512, работа поддерживалась грантами РФФИ №03-05-64228, №03-05-64431, №98-05-78009, №06-05-64799, № 06-05-96962-р-офи, №09-05-00738-а, CRDF № PRO-1390-TO-03, программами 2.9 отделения физических наук РАН, № 12 Президиума СО РАН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 8-ом Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск, 1984; 8-ом и 11-ом Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск 1986, 1992; 1-15 Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск 1994, 1995, 1997, 1999-2005, Иркутск 2001, Красноярск 2008; 3-ем Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск 1985; 19-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград 1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск 1987; XV Всесоюзн. конф. "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Одесса 1989; Российской аэрозольной конференции, Москва 1993; Topical Meeting on Atmospheric, Volume and Surface Scattering and Propogation, Florence, Italy 1991 г.; 4-ом рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск 1996; International Conf. LASER-95, Charleston 1995; Electromagnetics research Symp., Seattle 1995; International Forum on Advanced high power laser and applications AHPLA 99 Osaka, Japan, 1999; заседании 9 рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск 2002; 6th Intern. Conf. «Atomic and molecular pulsed lasers», Tomsk, 2003, 2005, 2007; International Conference «Lasers Material Interaction», St.-Petersburg, 2003; XV сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород, 2004, 2007, International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), St. Petersburg, (Invited talk) 2005, 2007, International Conference on Quantum Electronics and the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics. Toshi Center Kaikan. Tokyo. Japan 2005; VII Международной конференции «Лазерная физика и оптические технологии» 17-19 июня, Минск, Беларусь, 2008, XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн». Ростов-на-Дону, п. JIoo, 2008; International Conference "Laser Optics 2008" St. Petersburg, Russia, 2008; 5 International Symposium "Modern Problem of Laser Physics" MPLP'2008. Novosibirsk, 2008; VI Всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем» ЗАТО г.Радужный, 2008; VIII Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике, г. Москва, 2009.

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 145 работах, в том числе 4 монографиях, 3 учебных пособиях, 46 статьях, из них 24 в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 авторских свидетельствах на изобретение.

Личный вклад автора

Диссертационная работа явилась результатом 25-летних исследований автора. Участие автора заключалось в постановке задач, разработке методик и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов.

На разных этап исследований при решении различных задач автор работал в коллективе ученых лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий ИОА СО РАН под руководством д.ф.-м.н., профессора A.A. Землянова, а также с коллективами других организаций. Интерпретация результатов и построение полуэмпирических моделей по большинству разделов диссертации проводилась совместно с A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем (ИОА СО РАН). Теоретические и численные расчеты проводились A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем. Акустическое сопровождение большинства экспериментов проводилось совместно с H.H. Бочкаревым (ИОА СО РАН). Экспериментальные исследования взаимодействия мощного излучения С02-лазера с монодисперсными и полидисперсными, однородно и неоднородно поглощающими частицами водного аэрозоля проводилась совместно с

В.А. Пого даевым, А.Е. Рождественским (ИОА СО РАН). Исследование сигнала светорассеяния при светоиндуцированном взрыве аэрозольных частиц на длине волны воздействующего излучения С02-лазера и исследования по томографической реконструкции энергетической структуры лазерного пучка по нелинейному сигналу светорассеяния проводились совместно с Ал.А. Земляновым (Сибирский физико-технический институт, г.Томск), исследования взрыва одиночных капель различного размера под действием лазерных импульсов проводились совместно с A.A. Земляновым, J1.K. Чистяковой (ИОА СО РАН) и Р. Армстронгом (университет штата Нью-Мексико, США г. Лас-Крузес). Исследования по распространению мощного излучения С02-лазера на атмосферной трассе проводилось совместно с В.А. Погодаевым. Исследования ослабляющих свойств аэрозоля для фемтосекундного лазерного импульса проводились совместно с А.Н. Степановым, Д.В. Карташевым (Институт прикладной физики РАН, г.Нижний Новгород) Ал.А. Земляновым (Сибирский физико-технический институт, г.Томск). Исследования по филаментации фемто- и пикосекундных чирпированных импульсов в атмосфере, трансформации спектральных и пространственных характеристик излучения, воздействию фемтосекундных импульсов на оптические элементы проводились совместно с А.Н. Степановым и С.Б. Бодровым (Институт прикладной физики РАН, г.Нижний Новгород), Н.С. Захаровым и C.B. Холодом (12 ЦНИИ МО РФ, г.Сергиев Посад).

Объем и структура работы

Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 241 страниц, 115 рисунков. Список литературы составляет 225 наименований.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы по четвертой главе

На основе изложенных в настоящей главе результатов можно сделать следующие выводы.

Аэрозольная среда для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.

Акустический отклик взаимодействия фемтосекундного импульса с аэрозольной средой, на порядки превышает отклик взаимодействия наносекундного импульса такой же энергетики, с той же средой. Это указывает на дополнительные энергетические потери лазерной энергии при ее распространении через аэрозольную среду для фемтосекундного импульса. Данные потери не превышают нескольких процентов от воздействующей энергии, что согласуется с измерениями прозрачности аэрозоля.

Измерения акустического сигнала в открытом объеме являются эффективным инструментом при исследовании взаимодействия лазерных импульсов фемтосекундной длительности с аэрозольными средами и при изучении распространения филамента в аэрозольных и газовых средах. Метод позволяет восстанавливать положение нелинейного фокуса и геометрические размеры филамента.

Экспериментально показано, что при фокусировке лазерного пучка увеличение начальной энергии импульса приводит к смещению нелинейного фокуса от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению начальной энергии импульса. Аэрозоль с концентрацией частиц > 103 см"3 не вносит существенных особенностей в трансформацию лазерного пучка, что позволяет использовать водный аэрозоль в качестве линейного нейтрального ослабителя для управления положением нелинейного фокуса и пространственным положением филамента.

Полученные экспериментальные данные по уширению спектра лазерного импульса при его филаментации свидетельствует о том, что величина спектральной полуширины излучения смещение спектра пропорциональны протяженности зоны филаментации.

На основе сравнения эмпирических данных по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке с результатами численных расчетов, показано, что при остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования ППТ модели фотоионизации атомов газа вместо механизма МФИ. Указанные особенности связаны с достижением высоких значений интенсивности световой волны 1014 Вт/см2) при совместном действии ее острой начальной фокусировки и керровской нелинейности.

Исследования филаментация коллимированного лазерного пучка на атмосферной трассе показали, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляется энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией. Пространственная структура коллимированного лазерного пучка после филаментации отличается от структуры остросфокусированного пучка при его филаментации. Структура пучка после филаментации в атмосфере меняется при изменении частотной модуляции лазерного импульса. Зафиксированы существенные флуктуации структуры пучка при филаментации на атмосферной трассе, при флуктуациях энергии импульса не превышающей 20%. Данные флуктуации структуры могут быть связаны с влиянием условий на трассе распространения. Экспериментально исследованы угловые и спектральные характеристики чирпированного излучения фемтосекундного лазера в зависимости от начальной энергии и длительности лазерного импульса при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации. Получена зависимость размера ореола от энергии, длительности и мощности лазерного импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных экспериментальных исследований взаимодействия мощных лазерных импульсов с газовыми и аэрозольными средами получены следующие результаты и сделаны выводы.

В части взаимодействия лазерных импульсов с однородно поглощающими частицами аэрозоля.

1. Разработана экспериментальная методика исследования взрыва малых однородно поглощающих частиц, основанная на измерениях оптических последствий взрыва частиц в канале распространения лазерного излучения, позволяющая однозначно интерпретировать результаты, полученные для ансамбля частиц на основе модельных представлений взрыва одной частицы;

2. Определен ряд основных параметров процесса взрыва (время взрыва, взрывная степень испарения, степень дробления при взрыве), и обоснована методика их определения из оптических измерений;

3. По результатам экспериментальных исследований изменения оптических характеристик аэрозоля, обусловленного взрывом частиц в поле лазерного излучения, получены значения параметров процесса взрыва малых однородно поглощающих частиц: времени взрыва - 1в, взрывной степени испарения - Хв, размер осколков - гКу и их зависимости от величины поглощенной энергии;

4. Исследованы закономерности формирования акустического сигнала от монодисперсного водного аэрозоля при воздействии лазерным импульсом. Получена зависимость амплитуды акустического отклика на фазовые переходы в частицах от концентрации частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения. Показано, что полученные зависимости содержат информацию о значениях величин порогов взрывного вскипания однородно поглощающих частиц водного аэрозоля.

5. Полученные экспериментальные данные легли в основу полуэмпирической модели взрыва малых частиц водного аэрозоля в поле лазерного импульса, устанавливающую количественную связь между основными факторами взрыва (время взрыва, степень испарения, степень дробления) и параметром скорости закачки световой энергии в частицу;

6. Показано, что для аэрозоля, состоящего из малых однородно поглощающих частиц, после взрыва наблюдается увеличение прозрачности и уменьшение рассеивающих свойств области взаимодействия, для видимого и инфракрасного излучений.

В части взаимодействия лазерных импульсов микросекундной длительности с неоднородно поглощающими частицами аэрозоля.

1. Показано, что увеличение доли крупной фракции в исходном аэрозоле приводит к замутнению канала распространения воздействующего импульса и увеличению рассеивающих свойств вторичного, образовавшегося при взрыве аэрозоля;

2. Определен ряд характерных уровней в сигнале нелинейного светорассеяния, значения которых зависят от микроструктуры аэрозоля и плотности энергии воздействующего излучения и не зависят от исходной концентрации частиц. Из полученных зависимостей определен энергетический порог взрывного разрушения для аэрозольных частиц различного размера. Показано, что сигнал нелинейного светорассеяния от взрывающегося при воздействии лазерного импульса позволяет восстанавливать энергетическую структуру лазерного пучка;

3. Исследованы режимы генерации звука жидкокапельным аэрозолем различного типа под действием лазерного излучения в свободном объеме. Показано, что при одинаковой водности, но различной микроструктуре аэрозоля, наибольшая амплитуда акустического сигнала достигается в случае мелкодисперсного аэрозоля. Разница амплитуд уменьшается при увеличении воздействующей энергии лазерного излучения;

4. Исследован акустический отклик при взрыве одиночных частиц различного размера под действием лазерного импульса. Получена зависимость пикового давления в акустическом сигнале от радиуса частиц, подвергнутых воздействию лазерных импульсов различной энергии. Зависимость имеет изгиб, связанный с достижением порога разрушения капель. Определен энергетический порог взрывного разрушения частиц при взрыве и его зависимости от размера капель и скорости их нагрева лазерным излучением. Порог возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева;

5. Получены зависимости времени начала взрыва и длительности взрыва от скорости от размера частиц. Время взрыва с ростом а0 при а0 < ее,,'1 возрастает, а при а0 > а„! сокращается, а длительность взрыва возрастает с увеличением размера капель. Показано, что увеличение скорости нагрева капель приводит к снижению времени взрыва. На основе полученных экспериментальных данных разработана полуэмпирическая модель светоиндуцированного фазового взрыва больших неоднородно поглощающих капель.

В части распространение интенсивных лазерных импульсов на атмосферных трассах в условиях реализации нелинейно-оптических эффектов.

1. Комплексные исследования энергетического ослабления МЛИ на натурной трассе в условиях туманной дымки, тумана, мороси, дождя и механизмов взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля в контролируемых лабораторных условиях выявили закономерности изменения коэффициента ослабления излучения с X = 10,6 мкм, зависящие от микрофизических параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров пучка излучения. Анализ этих закономерностей показал, что при распространении мощного импульсного излучения С02-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения и позволил предложить модель оценки пропускания МЛИ для конкретной оптико-метеорологической ситуации в атмосфере. Апробация модели на горизонтальной приземной трассе в реальной атмосфере проведена для оптико-метеорологических ситуаций, обеспечивающих исходную оптическую толщу вплоть до т0 = 5.

2. Акустическая индикация плазменных очагов в совокупности с метеорологическими и аэрозольными измерениями позволяют установить связь между устойчивым развитием длиной лазерной искры с оптико-метеорологическим состоянием атмосферы и выработать соответствующие рекомендации для энергетических характеристик излучения, повышающих эффективность плазмообразования в атмосфере.

В части исследований распространения лазерных импульсов фемтосекундной длительности в газовых и аэрозольных средах.

1. Оптическими и акустическими исследованиями показано, что при взаимодействии мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с жидкокапельным аэрозолем из слабо поглощающих микрочастиц реализуется поглощение излучения в веществе частиц превышающее поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава, при этом аэрозольная среда (с концентрацией частиц в диапазоне 10 -10 см") для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель;

2. Акустическими измерениями показано, что при острой фокусировке лазерного пучка увеличение начальной энергии импульса приводит к смещению нелинейного фокуса от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению начальной мощности импульса.

3. Экспериментально получена зависимость ширины и смещения центра тяжести свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации сфокусированного лазерного импульса от длины филамента.

4. На основе сравнения эмпирических данных по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке с результатами численных расчетов, проведенных в рамках теоретической модели нелинейного уравнения Шредингера. показано, что при остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих Керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования ППТ модели фотоионизации атомов газа вместо механизма МФИ. Указанные особенности связаны с достижением высоких значений интенсивности световой волны 1014 Вт/см2) при совместном действии начальной фокусировки и керровской нелинейности;

5. Экспериментально исследованы угловые и спектральные характеристики чирпированного излучения фемтосекундного лазера в зависимости от начальной энергии и длительности лазерного импульса при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации. Исследования показали, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляется энергией, длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

По совокупности исследований по всем разделам работ можно сделать вывод о том, что совместная регистрация оптического и акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом атмосферы, позволяет определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения поглощательных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, определять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натурных и лабораторных экспериментов.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту, заведующему лабораторией нелинейно-оптических взаимодействий ИОА СО РАН д.ф.-м.н., профессору Землянову Александру Анатольевичу за формирование области научных интересов, постановку актуальных задач по теме исследований. Благодарен главным научным сотрудникам д.ф.-м.н. В.А. Погодаеву и д.ф.-м.н. Ю.Э. Гейнцу за четвертьвековую плодотворную совместную работу, а также коллегам, сотрудникам лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий за помощь в работе и полезное обсуждение результатов. Выражаю искреннюю признательность заведующему лабораторией сверхсильных полей ИПФ РАН д.ф.-м.н. А.Н. Степанову за многолетнее и плодотворное сотрудничество при проведении экспериментальных исследований на созданном в его лаборатории фемтосекундном стенде.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Кабанов, Андрей Михайлович, Томск

1. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь. 1981.288 с.

2. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский A.B. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука. 1980. 180 с.

3. Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю.Д., Кузиковский A.B. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. Новосибирск: Наука. 1984. 224 с.

4. Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1989. 253 с.

5. Волковицкий O.A., Седунов Ю.С., Семенов Л.П. Распространение интенсивного лазерного излучения в облаках. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 300 с.

6. Пришивалко А.П. Оптические и тепловые поля внутри светорассеивающих частиц. Минск.: Наука и техника. 1983. 178 с.

7. Кузиковский A.B., Погодаев В.А., Хмелевцов С.С. Испарение водной капли под действием светового импульса // ИФЖ. 1971. Т. 20. С. 21-25.

8. Kafalas F., Herrmann J. Dynamics and Energetics of the Explosive Vaporization of Fog Droplets by a 10.6 mm Laser Pulse // Appl. Opt. 1973. V. 12. N 4. P. 772-775.

9. Кузиковский A.B. Динамика сферической частицы в мощном световом поле // Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1970. № 5. С. 56-59.

10. Alexander D.R., Armstrong J.G. Explosive Vaporization of Aerosol Drops Under Irradiation by C02-laser Beam // Appl. Opt. 1987. V. 26. N 3. P. 533-538.

11. Баринов В.В., Сорокин С.А. Взрывы водных капель под действием оптического излучения // Квантовая электроника. 1973. Т. 14. № 2. С. 5-11.

12. Погодаев В.А., Чистякова Л.К. Образование и поведение паровых пузырьков в капле при воздействии импульсных ОКГ // Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1973. № 12. С. 137-139.

13. Белов PI.H., ДаЦкевич И.П., Карлова Е.К. и др. Канал просветления и образование плазмы пробоя в аэрозоле под действием излучения СОг-лазера // ЖТФ. 1979. Т. 49. № 2. С. 333-338

14. Кузиковский A.B., КохановВ.И., Чистякова Л.К. Импульсное просветление искусственного водного аэрозоля излучением СОг-лазера // Квантовая электроника. 1981. Т. 8. № 10. С. 2090-2096.

15. БельцВ.А., Волковицкий O.A., Добровольский А.Ф. и др. Экспериментальное исследование воздействия импульсов COi-лазера на капельную и кристаллическую облачную среды // Квантовая электроника. 1985. Т.12. N.5. С.1027-1033.

16. Кузиковский A.B., Чистякова JI.K. Исследование эффективности лучевого просветления искусственного тумана в режимах малых тепловых потерь // В кн. Нелинейная оптика и оптоакустика атмосферы. Томск. 1988. С. 60-65.

17. Жаров В.П., Негин А.Е., Симановский Я.О. Импульсный оптико-акустический эффект в аэрозолях // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 1. С. 98-99.

18. Коротин A.B., Семенов Л.П., Свиркунов П.И. Взрыв капель жидкости при больших перегревах // Труды ИЭМ. 1975. Вып. 11(54). С. 24-33.

19. Грачев Ю.И., Стрелков Г.М. Изменение прозрачности водного аэрозоля под воздействием импульса излучения С02-лазера // Квантовая электроника. 1976. Т.3.№3. С. 621-625.

20. Никольский A.M., Нестерихин Ю.Е., Поташинский З.А. и др. О неустойчивости градиентного взрыва // ДАН СССР. 1977. Т. 236. № 6. С. 1346-1349.

21. ЗуевВ.Е., Землянов A.A. Взрывы капель под действием интенсивного лазерного излучения //Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1983. Т. 16. № 2. С.53-65.

22. Толстиков Ю.В. Разрушение замерших капель воды в поле излучения импульсного С02-лазера // В кн. III Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. Обнинск. 1985. Ч. IV. С. 123-126.

23. Зондирование физико-химических параметров атмосферы с использованием мощных лазеров // под ред. В.Е. Зуева. Томск. 1979. 174 с.

24. Беляев Е.Б., Годлевский А.П., Копытин Ю.Д. и др. О характере генерации акустического излучения при лазерном пробое газодисперсных сред // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8. Вып. 6. С. 333-337.

25. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Сорокин Ю.М. Оптоакустические эффекты в аэрозолях //Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 563-578.

26. Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Кабанов A.M. и др. Микрофизические характеристики и оптические свойства малого объема водного аэрозоля в поле импульсного С02-лазера // В кн. III Всесоюзное совещание по27.28,29.32,33,34.35,36,37,38