Взаимодействие остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с воздушной, жидкой и жидкокапельной средами

Быкова, Елена Евгеньевна

Взаимодействие остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с воздушной, жидкой и жидкокапельной средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Быкова, Елена Евгеньевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Взаимодействие остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с воздушной, жидкой и жидкокапельной средами»

Автореферат диссертации на тему "Взаимодействие остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с воздушной, жидкой и жидкокапельной средами"

На правах рукописи

005534514

Быкова Елена Евгеньевна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСТРОСФОКУСИРОВАННОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВОЗДУШНОЙ, ЖИДКОЙ И ЖИДКОКАПЕЛЬНОЙ

СРЕДАМИ

Специальность 01.04.05 — оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

10 ОКТ 2013

Томск-2013

005534514

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Кабанов Андрей Михайлович Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск, ведущий научный сотрудник

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лосев Валерий Федорович Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, заведующий лабораторией

доктор физико-математических наук Пономарев Юрий Николаевич Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск

Защита состоится 25 октября 2013 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д.003.029.01 при Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

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

Автореферат разослан 24 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Развитие нового перспективного направления лазерной физики - оптики ультракоротких лазерных импульсов - стимулировало широкий фронт исследований в области взаимодействия лазерного излучения с различными средами. Одним из наиболее важных эффектов взаимодействия с оптическими средами является самофокусировка света. Явление самофокусировки было предсказано в 1962 г. в Москве в Физическом институте Академии наук Г.А. Аскарьяном [1], а первые теоретические описания этого эффекта было дано в 1963 г. в работах В.И. Таланова и С.Н. То\упеэ с сотр. [2, 3]. В 1965 г. в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова Н.Ф. Пи-липецким и С.Р. Рустамовым впервые зарегистрирована мелкомасштабная самофокусировка [4] лазерных пучков в жидких средах.

В середине XX в. были достигнуты параметры лазерных импульсов, позволяющие проводить исследования самофокусировки и филаментации в воздухе, что представляет значительный интерес для задач атмосферной оптики. Другой интересной задачей применения излучения ультракоротких лазерных импульсов в атмосферной оптике является их рассеяние на аэрозольных частицах. Первые работы в этом направлении были выполнены в [5, 6]. К настоящему времени достигнуты мощности излучения, при которых становится возможной реализация на протяженных атмосферных трассах таких нелинейно-оптических эффектов, как филаментация лазерного пучка, генерация суперконтинуального свечения, неупругое рассеяние на аэрозолях, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость изучения взаимодействия такого излучения с газовыми, жидкими и аэрозольными средами для создания количественных моделей реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики и оптики океана. Среди них следует отметить проводку молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы, диагностику воздуха и воды на основе лазерной индуцированной плазмы и т.д. Особое место занимает задача управления положением и пространственными характеристиками области филаментации, которые, в основном, и определяют трансформацию пространственных и спектральных характеристик лазерных пучков при филаментации. Одним из наиболее эффективных способов такого управления являются фокусировка пучка и изменение его апертуры. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между исходными характеристиками излучения и наведенными при филаментации свойствами атмосферного канала распространения, несомненно, актуально в настоящее время.

Цель диссертационной работы

Целью работы является установление количественных связей параметров сфокусированных мощных лазерных импульсов с пространственными характеристиками области филаментации и спектрами свечения жидких и жидкокапельных сред для задач нелинейной фемтосекундной оптики атмосферы.

Для достижения поставленной цели экспериментально исследовались:

- пространственные характеристики области филаментации сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов в воздухе в зависимости от длины волны, энергии, мощности, интенсивности импульса, а также начального размера пучка;

— трансформация спектральных характеристик сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов в воздухе;

- свечение капельных сред в поле ультракоротких лазерных импульсов в зависимости от мощности излучения и размера капель;

— свечение области филаментации при распространении в сплошных жидких средах в зависимости от мощности импульса, вида жидкости, угла приема светового сигнала.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Длина области филаментации острофокусированных лазерных пучков является инвариантной к изменению их диаметров при условии равенства начальных интенсивностей. Указанная закономерность связана с преобладанием геометрической фокусировки над керровской самофокусировкой пучка в процессе формирования филамента.

2. Под воздействием импульсно-периодического фемтосекундного лазерного излучения миллиметровые оптически прозрачные капли взрывооб-разно вскипают в зонах максимума оптического поля и испаряются с выбросом части своей массы в виде пара и жидких фрагментов с теневой и освещенной полусфер. Причиной такого эффекта является фазовый переход жидкости в пар в местах локализации зон плазмообразования внутри капли.

3. Широкомасштабное изменение спектра ультракороткого лазерного импульса при его рассеянии на миллиметровой водной капле обусловлено самомодуляцией фазы излучения вследствие эффекта Керра и плазмообра-зования.

4. При облучении жидкокапельного морского аэрозоля первой гармоникой ТкЗаррЫге-лазера с мощностью импульса > 50 ГВт регистрируется свечение линии натрия на 589 нм, при облучении второй гармоникой наблюдается свечение в видимой области спектра с максимумом на 460^70 нм, связанное с флуоресценцией растворенных в морской воде органических веществ.

Достоверность научных результатов н выводов подтверждается:

-методической проработкой регистрации и обработки оптических 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 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 обнаружена качественно новая закономерность, заключающаяся в инвариантности наблюдаемой длины области свечения (филамен-тации) по отношению к диаметру пучка при условии одинаковой пиковой интенсивности. Указанная закономерность не следует из стационарной теории самофокусировки коллимированного или слабо сфокусированного излучения и объясняется преимущественно линейным характером поперечного сжатия светового пучка до нелинейного фокуса.

2. Впервые установлено, что в поле ультракороткого светового излучения миллиметровые оптически прозрачные капли испаряются и вскипают с выбросом части своей массы в виде пара и жидких фрагментов. Это вскипание носит взрывной характер и при продолжительном действии излучения охватывает большую часть объема жидкой частицы. Причиной взрывной фрагментации является фазовый переход жидкости в местах локализации зон плазмообразования внутри капли. Эти зоны, в свою очередь, могут возникать в жидкости при ее ультракоротком лазерном облучении в результате многофотонной ионизации молекул, поддержанной эффектом фокусировки оптического поля сферической поверхностью капли.

3. Причиной широкомасштабного изменения спектра лазерного импульса при его рассеянии на миллиметровой водной капле является самомодуляция фазы излучения вследствие оптической нелинейности жидкости за счет эффекта Керра и плазмообразования. По отношению к центральной длине волны спектральное уширение протекает достаточно симметрично в области коротких и длинных волн, что свидетельствует о преобладающей роли в процессе спектральных трансформаций излучения эффекта Керра. Вклад «плазменной» составляющей в нелинейную поляризуемость воды и, следовательно, в фазовую самомодуляцию лазерного импульса выражен

значительно слабее, а наличие очагов оптического пробоя жидкости проявляется в основном в появлении широкополосного и практически изотропного свечения капли в видимой области спектра. Увеличение размера водной частицы при прочих равных условиях сопровождается дополнительным уширением спектра наблюдаемого рассеянного излучения.

4. При облучении микрометрового морского аэрозоля в свободном пространстве первой гармоникой Ti:БаррЫге-лазера с энергией в импульсе более 50 ГВт регистрируется свечение линии натрия, при облучении второй гармоникой наблюдается свечение в видимой области спектра, связанное с флуоресценцией растворенных в морской воде органических веществ.

5. При филаментации на первой и второй гармониках происходит уши-рение спектра исходного импульса, связанное с фазовой самомодуляцией, при этом для первой гармоники наблюдается смещение центра тяжести и максимума спектра в коротковолновую область, связанное с плазменной нелинейностью (blue shift), а для второй гармоники в длинноволновую область {red shift). Уширение спектра лазерных импульсов при одинаковой мощности в воде больше, чем при филаментации в воздухе.

6. В спектре филамента, формируемого первой гармоникой (800 нм) в воде, при измерениях под углом 90° в стоксовой области относительно лазерного импульса регистрируется первая положительная система молекулярного азота, позволяющая оценить температуру плазмы 4000—5000 К.

7. При филаментации импульсов на второй гармонике в дистиллированной воде наблюдается свечение с максимумом в области 464 нм, связанное с комбинационным рассеянием на валентных колебаниях молекул воды.

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 № 02.438.11.7018, 02.740.11.0083, интеграционных проектов Президиума СО РАН № 81, 67; работа поддерживалась грантами Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашения 8381, 8884), РФФИ № 09-05-00738а, 12-05-00716, 12-02-31714мол_а, Программой фундаментальных исследований Президиума РАН № 13, Программой 8.1 ОФН РАН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 10-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-10», Москва, 2004; IV, V, VII, VIII, X Международных школах «Физика окружающей среды», Томск, 2004, 2006, 2010, 2012, Красноярск, 2008; VII Международной школе-семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития», Томск, 2005; IV, V Международных конференциях молодых ученых и специалистов «0птика-2005», Санкт-Петербург, 2005, 2007; XII-XVIII Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2005, 2006, 2009, 2011, Бурятия, 2007, Красноярск, 2008, Иркутск, 2012; XV Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy, Nizhny Novgorod, 2006; IV, V, VI Международных конференциях «Фундаментальные проблемы оптики», Санкт-Петербург, 2006, 2008, 2010; IX Международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии «ФЭКС-2009», Казань, 2009; 13, 14-й Международных молодежных научных школах «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», Казань, 2009, 2011; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии», Томск, 2009; International Conference «ICONO/LAT-2010», Kazan, 2010; XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2011; X International Conference «AMPL-2011», Tomsk, 2011; 4-й Международной научно-практической конференции «АПР-2012», Томск, 2012; 50-й юбилейной международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2012.

Материалы диссертации изложены в 65 научных работах, в том числе 30 статьях, из них 13 в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора

Автор диссертации принимал участие в подготовке и выполнении экспериментальных работ, обработке экспериментальных данных, интерпретации полученных результатов. Обсуждение и написание статьей и тезисов докладов выполнены в соавторстве при его непосредственном участии. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ИОА СО РАН совместно с сотрудниками лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 108 библиографических ссылок. Общий объем диссертации составляет 118 страниц. Работа содержит 59 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и проанализировано современное состояние данной тематики. Сформулированы цель и задачи работы, приведено краткое описание материала диссертации, обсуждена научная и практическая значимость представляемого материала.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы фемто-секундной нелинейной оптики атмосферы и океана. Изложена методика проведения экспериментальных исследований пространственных характеристик области филаментации сфокусированных лазерных импульсов фемтосекунд-ной длительности, таких как длина филамента, дистанция нелинейной самофокусировки, диаметр области филаментации. Приведены результаты измерений указанных параметров в зависимости от энергии, мощности, интенсивности лазерного импульса, начального диаметра пучка для двух гармоник ТиБаррЫге-лазера.

Пример регистрируемого изображения плазменной колонки. (ПК), образующейся в фокальной области линзы, представлен на рис. 1 в виде схемы обозначений для пространственных характеристик измеряемой ПК: гь ¿г2 - координаты начала и окончания колонки соответственно, - ее длина, г0 - центр тяжести ПК.

Рис. 1. Методика вычисления положения нелинейного фокуса пучка

На рис. 2 показаны координаты положения ПК при изменении начальной мощности Р0 в импульсе излучения. Начало и конец г2 ПК вычислялись посредством цифровой обработки фотографий светящегося образования (подобных представленному на рис. 1) по уровню 1:100 падения контраста изображения от максимума в продольном (вдоль распространения пучка) направлении. За положение центра ПК г0 принималась координата центра тяжести продольного распределения яркости изображения на оси лазерного пучка. Установлено, что как начало ПК, так и ее центр монотонно смещаются от геометрического фокуса пучка в сторону лазерного источника при увеличении мощности в импульсе, что является результатом действия эффекта Керра. Причем при одном и том же значении Р0 величина смещения г, для второй гармоники (400 нм) существенно больше, чем для основного излучения (800 нм).

20 15 10 5 0

2, ММ

—конец —центр —начало

■ конец

■ центр

■ начало

-1_1_

02468 10 12 14 0 2 4 6

Ра, ГВт Г», ГВт

а б

Рнс. 2. Координаты относительно левого края кадра на рис. 1 начала, центра и конца ПК, образующейся при самофокусировке излучения с Хо = 800 (а) и 400 им (б), в зависимости от начальной пиковой мощности лазерного импульса

Таким образом, эксперименты показали, что если фемтосекундный лазерный пучок изначально достаточно сильно сфокусирован, то даже в условиях проявления керровской самофокусировки дальний край образующейся ПК (а значит, и светового филамента как первопричины возникновения плазмы) не покидает предела дальней зоны линейной фокальной перетяжки пучка, а изменение длины ПК происходит только за счет смещения ее начала.

На рис. 3 представлены зависимости длины плазменной колонки от мощности и интенсивности излучения для первой гармоники. Для кривых на рис. 3, а наблюдается существенная зависимость также и от диаметра пучка. На графиках, построенных для интенсивности импульса, такой зависимости от диаметра не наблюдается, более того, практически для всех диаметров пучков все кривые «стягиваются» в одну.

50 40 30 20 10 0

. с/о = 2,5 мм 4,5 мм 7 мм 9 мм

1 I )

ММ

_1_

20 40 60 80 100 120 140 Ль ГВт а

200 400 /о, ГВт/см2 б

с1о = 2,5 мм 4,5 мм 7 мм 9 мм

600

Рис. 3. Длина области филаментации в зависимости от пиковой мощности и интенсивности излучения для ?.о = 800 нм. Сплошная линия (б) - численный расчет

На рис. 4 приведены зависимости положения нелинейного фокуса или начала регистрируемой плазменной колонки, т.е. области филаментации, со стороны источника излучения в зависимости от мощности и интенсивности излучения ТкБаррЫге-лазера на основной гармонике 800 нм.

о у

ЕС

200 190 180 170 160

_i_t_i_

X = 800 нм

• d= 4,5 мм

• 9 мм

А 2,5 мм Расчет по ф. Марбургера —о- для 4,5 мм -о- для 9 мм -д— для 2,5 мм j_,_i_i_i_,_i_i_i_,

0 20 40 60 80 100 120 140 Ро, ГВт

200 190 180 170 160 150

iir;

800 нм

• 9 мм

7 мм .

—«— 4,5 мм

. 2,5 мм

—~ расчет ..i

100 /о, ГВт/см2

Рис. 4. Зависимости положения начала области филаментации (положения нелинейного фокуса) от мощности и интенсивности лазерного импульса

Из графиков видно, что, как и для длины филамента, наблюдается существенное отличие в зависимостях положения нелинейного фокуса от мощности и интенсивности импульса. Если для мощности (рис. 4, а) наблюдается существенная зависимость начала филаментации от диаметра пучка, а именно его уменьшение с увеличением диаметра, то в зависимости от интенсивности излучения такой связи с диаметром нет. Все кривые зависимости на рис. 4, б, в некотором приближении, находятся на одной кривой.

На рис. 5 представлены данные разных авторов о длине области филаментации при различных условиях фокусировки, диаметре и длительности

' ~ 30 ГВт 800 нм (наши данные) 744 нм [7] 800 нм [8] 800 нм [9] 744 нм [10] 800 нм [11] 800 нм [11] аппроксимация = 0,2ША

S 2 80

ез н 60

X QJ 50

5 40

2 20

I 10

......-Si-i

0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 Числовая апертура NA

Рис. 5. Длина области филаментации в зависимости от числовой апертуры лазерного

пучка

лазерного пучка. Для возможности напрямую сравнивать данные различных работ, в которых использовались разнообразные условия фокусировки лазерных пучков с разным диаметром, можно объединить два этих параметра в связывающую их безразмерную характеристику, так называемую числовую апертуру (А'А = пгде г - радиус лазерного пучка, /- фокусное расстояние). Данные выбраны для мощности ~ 30 ГВт, поскольку результаты именно по этой мощности присутствуют в большинстве изученных нами работ.

Из рис. 5 видно, что результаты разных авторов, в том числе и результаты настоящей работы, хорошо согласуются в случае совпадений условий экспериментов.

Во второй главе представлены методика и результаты исследования взаимодействия гигаваттных импульсов на двух гармониках ТпЗаррЫге-лазера при взаимодействии с каплями различного размера. Исследован режим взрывного вскипания капель при термализации плазмы, сформированной в горячих точках крупных, прозрачных для длин волн воздействующего лазерного излучения, водных капель. Проведенные эксперименты показали, что в поле ультракороткого светового излучения крупные оптически прозрачные капли испаряются и вскипают с выбросом части своей массы в виде пара и жидких фрагментов. Это вскипание носит взрывной характер и при продолжительном действии излучения охватывает большую часть объема жидкой частицы. Причиной взрывной фрагментации, как показывает анализ результатов, является фазовый переход жидкости в местах локализации зон плазмообразования внутри капли. Эти зоны, в свою очередь, могут возникать в жидкости при ее ультракоротком лазерном облучении в результате многофотонной ионизации молекул, поддержанной эффектом фокусировки оптического поля сферической поверхностью капли.

Приведены полученные зависимости трансформации спектра лазерного излучения от размера облучаемых водных капель и мощности лазерных импульсов с длинами волн 400 и 800 нм. Спектральный состав свечения капли воды показан на рис. 6. Изменение мощности лазерного импульса, производимое при помощи чирпирования излучения, меняло величину пиковой интенсивности, падающей на каплю световой волны. При меньшей мощности импульса форма спектрального контура свечения близка к спектральному контуру падающего излучения (кривая /), что говорит об отсутствии регистрируемого плазмообразования в капле. При мощности импульса 1,25 ГВт пиковая интенсивность падающего на частицу излучения составляла всего около 2 ГВт/см2, что недостаточно для преодоления порога пробоя воды даже с учетом внутренней фокусировки поля. Увеличение мощности (кривые 2-5) приводит к деформациям первоначально гауссовского спектрального контура свечения [12], возрастает сам уровень регистрируемого спектрального сигнала, и возникает связанный со свечением плазмы «хвост» в видимой области спектра.

« 15000

10000

<L) SI

CJ I

5000

D\, нм

140

120

100

650 700 750 800 850 900

Длина волны, нм

Рис. 6. Усредненные (по 100 измерениям) спектры свечения капли воды при различной мощности импульса падающего излучения: 1,25 (/); 1,45 (2); 3,5 (3); 7 (4) и 18,2 ГВт (5)

На рис. 7 представлена зависимость параметра ширины спектра Д , измеренного под углом рассеяния 360°, от среднего радиуса подвешенной водной капли. Анализ одномерного распространения гармонической световой волны в среде с нелинейностью указывает на то, что изменение частоты такой волны 5со(г, /) на дистанции г определяется через временную производную от нелинейной фазы волны ф,\. [13]: 5со(2, г) = оср/Хг, /)ЛЗ/. В условиях преобладания в среде эффектов керровской самофокусировки и плаз-мообразования, когда световой пучок филаментируется и внутри него формируется квазипостоянный по пиковой интенсивности и поперечному размеру световой канал, нетрудно показать [14], что эффективная ширина спектра такого излучения будет пропорциональна длине участка филаментации, т.е. в рассматриваемом здесь случае диаметру капли: £>х сс (2а0)дп^д{, где зависящая от параметров излучения и оптических характеристик среды нелинейная добавка к коэффициенту преломления. Именно такая зависимость и прослеживается на данном рисунке.

Был исследован спектр эмиссионного свечения аэрозоля, состоящего из частиц морской воды. На рис. 8 показаны регистрируемые спектры свечения аэрозоля при его облучении фемтосекундными импульсами с длиной волны

.............-Í"

1,0

1,5

ао, мкм

2,0

Рис. 7. Среднеквадратичная ширина спектра излучения, рассеянного под углом 360°, от водных капель различного радиуса. Экспериментальные точки соединены отрезками для наглядности

800 и 400 нм. На рис. 8, а отчетливо видна эмиссионная линия резонансного дуплета Nal электронных переходов (З^д-З2/^) 588,9 нм и {Ъ2Бц2-Ъ2Р\п)

589,6 нм; энергия возбуждения в соответствии со схемой Гротриана~2 эВ [15]. Линия уверенно фиксируется в пределах энергий импульсов от максимальной в данных экспериментах (6 мДж) до ~2 мДж, что соответствует интенсивности излучения в объеме взаимодействия с частицами 1011-1012 Вт/см2. При дальнейшем уменьшении энергии импульса контур и амплитуда линии сливаются с фоновым сигналом спектрометра.

О —■—|—■—|—■—|—■—|—■—|—■—I 1_I_!13_I_^_' ■ '

560 570 580 590 600 610 620 400 440 480 520

X, нм X, нм

а б

Рис. 8. Спектры свечения аэрозоля под действием первой (а) и второй гармоник Ti:Sapphire-лазера (б); Еи = 6 (/), 2 мДж (2) (а) и 2,2 (/), 1,5 (2), 1 мДж (3) (перед щелью

спектрографа фильтр ЗС-8) (б)

В области 400 нм, соответствующей длине волны возбуждающего импульса (рис. 8, б), в спектре регистрируемого свечения наблюдается широкая полоса с максимумом в области 460-470 нм, обусловленная наличием в воде биогенных взвесей и растворенного органического вещества (РОВ).

Эмиссионная линия Na при облучении морского аэрозоля импульсами с длиной волны 400 нм не зарегистрирована. Это, очевидно, связано с тем, что при преобразовании во вторук) гармонику, во-первых, теряется четверть энергии импульса, во-вторых, преобразующий кристалл бета-бората бария удлиняет лазерный импульс. Как первое, так и второе обстоятельство приводят к уменьшению интенсивности воздействующего на частицы аэрозоля излучения, которая не превышает порога пробоя вещества частиц.

Третья глава содержит методику и результаты исследования филамен-тации фемтосекундных лазерных импульсов с длинами волн 400 и 800 нм в жидких средах, таких как дистиллированная вода, морская вода, глицерин, вода с добавлением наночастиц. Исследованы трансформация спектра филаментированного лазерного излучения и спектры свечения жидкости, возбужденной лазерным импульсом.

При филаментации импульса с длиной волны X = 800 нм в дистиллированной воде (рис. 9) наблюдаются уширение спектра (рис. 9 а), связанное с фазовой самомодуляцией в среде с кубичной нелинейностью керровского

Рис. 9. Спектры основной гармоники фемтосекундного лазерного импульса (\ = 800 нм) после филаментации: 1 - спектр исходного импульса (отражение от рассеивающей керамической поверхности); 2 - филаментация импульса и, = 35 фс, Е = 1 мДж в дистиллированной воде; 3 - филаментация импульса /„ = 700 фс, Е = 1 мДж в дистиллированной воде; 4 - филаментация импульса и, = 35 фс, Е = 1 мДж в воздухе (2, 3, 4 измерены в интегрирующую сферу в направлении вперед); 5 - спектр непрерывного НеЫе-лазера (для сравнения) (а). Здесь и далее нормировка на максимум интенсивности. Филаментация в кювете импульсов 1„ = 35 фс, Е = 1 мДж, вид сверху (б) и и, = 700 фс, Е = 1 мДж, вид

сбоку (в)

типа, и смещение его центра тяжести в коротковолновую область, обусловленное плазменной нелинейностью, которые тем значительнее, чем больше

мощность исходного импульса (кривая I). Так, при энергии импульса 1 мДж (кривая 2), что для данного импульса составляет ~ 15 ГВт, т.е. параметр ц = Р/Рсг~ 2,5-103 (для воды при воздействии А. = 800 нм нелинейная добавка показателя преломления и2 - 2,0 • 10~16 см2/Вт, критическая мощность самофокусировки Рсг = 6,5 МВт [16, 17]), спектр перекрывает практически весь видимый диапазон и часть ближнего ИК. Для сравнения на этом же рисунке (кривая 4) представлен спектр лазерного импульса той же мощности при его филаментации в воздухе. Из сравнения спектральных кривых 2 и 4 видно, что ширина спектра по уровню е~2 при филаментации в воде в 5 раз больше, чем в воздухе. При уменьшении параметра т| в 20 раз, т.е. при т| ~ 123 (кривая 3), ширина спектра уменьшается в 3,5 раза, но превышает ширину исходного спектра в 1,5 раза.

На рис. 9, б видно, что при т] ~ 2,5 • 103 филамент формируется в начале кюветы, о чем свидетельствует регистрируемое камерой расходящееся свечение в видимой области спектра, соответствующее генерации суперконтинуального свечения при филаментации пучка. К середине кюветы, вблизи геометрического фокуса линзы, это свечение стягивается, причем в области перетяжки наблюдается свечение плазменных очагов, следовательно, там достигается интенсивность ~ 10п Вт/см2. Для г| ~ 123 филаментация пучка реализуется вблизи геометрического фокуса и сопровождается формированием четочной структуры, ярким свечением и бурным парообразованием с характерным размером зоны тепловыделения ~ 2,5-3 см (рис. 9, в). Кипение воды связано в данном случае не с поглощением энергии лазерного излучения, а с формированием плазменных очагов и последующей терма-лизацией плазмы, так же как это происходило в каплях воды при их облучении фемтосекундными импульсами.

Для второй гармоники 400 нм (п2~ 5 ■ 10~16 см2/Вт [16,17]) спектр, измеренный в направлении вперед, при филаментации в воде также уширяется (рис. 10, а) по сравнению с исходным импульсом, но наблюдается его смещение в длинноволновую область. Такой же стоксовый сдвиг наблюдался авторами и при филаментации на второй гармонике в воздухе [18].

Полоса интенсивности дистиллированной воды имеет четкий профиль в отличие от полосы проб морской воды. В случае последнего видно увеличение ширины полосы в длинноволновую область спектра и медленное спадание интенсивности. Данное обстоятельство обусловлено наличием биогенных взвесей и РОВ.

Так же, как и при спектральных измерениях филаментации первой гармоники в морской воде, спектр, измеренный в направлении вперед, является более уширенным, чем при измерениях вбок, при этом именно спектр, измеренный под углом 90°, содержит компоненты комбинационного рассеяния и флуоресценции.

Рис. 10. Спектры второй гармоники фемтосекундного лазерного импульса (?. = 400 им) после филаментации: 1 - спектр исходного импульса (отражение от рассеивающей керамической поверхности); 2 - филаментация импульса с Е = 0,3 мДж в дистиллированной воде; 3 - филаментация импульса с Е = 0,3 мДж в морской воде (2, 3 измерены из области филаментации спектрометром Maya 2000Рго под углом 90°к пучку); 4 — филаментация импульса с Е = 0,3 мДж в дистиллированной воде; 5 - филаментация импульса с Е = 0,3 мДж в воздухе (4,5 измерены в интегрирующую сферу в направлении вперед)

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Литература, цитируемая в автореферате

1. Аскарьян Г.А. Воздействие градиента поля интенсивного электромагнитного луча наэлектроны и атомы // Ж. эксперим. и теор. физ. 1962. Т. 42, № 6. С. 1567-1570.

2. Таланов В.И. Самофокусировка электромагнитах волн в нелинейных средах // Изв. вузов. Радиофиз. 1964. Т. 7, № 3. С. 564-565.

3. Chiao R.Y., Garmire Е„ Townes С.Н. Self-Trapping of Optical Beams // Phys. Rev. Lett. 1964. V. 13, Is. 15. P. 479-482.

4. Пилипецкий Н.Ф., Рустамов A.P. Наблюдение самофокусировки света в жидкостях // Письма в ЖЭТФ. 1965. Т. 2, вып. 2. С. 88-90.

5. Донченко В.А., Зуев В.Е., Кабанов М.В., КрасюкИ.К, Палъянов П.А., Паши-нин П.П., Прохоров A.M. Об энергетическом ослаблении сверхкоротких импульсов оптического излучения рассеивающими средами // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, вып. 4. С. 230-232.

6. Калиненко А.Н., Творогов С.Д. Рассеяние импульса света на шаровой частице // Изв. вузов. Физ. 1972. Вып. 8. С. 80-84.

7. IoninA.A., Iroshnikov N.G., Kosareva O.G., Larichev A.V., Mokrousova D.V., Pa-novN.A., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Sunchugasheva E.S. Filamentation of femtosecond laser pulses governed by variable wavefront distortions via a deformable mirror // J. Opt. Soc. Amer. B. 2013. V. 30, Is. 8. P. 2257-2262.

8. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Формирование филамента фемтосекундного лазерного импульса в воздухе после фокуса оптической системы // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 9. С. 745-752.

9. HosseiniS., Kosareva О., Panov N.. Kandidov V.P., Azarm A., DaigleJ.-F„ Save! 'evA.B., Wang Т.-J., ChinS.L. Femtosecond laser filament in different air pres-

sures simulating vertical propagation up to 10 km // Laser Phys. Lett. 2012. V. 9, No. 12. P. 962-964.

10. Дергачев A.A., Ионин A.A., Кандидов В.IT., Селезнев JI.В., Синицын Д.В., Сунчуга-шеваЕ.С., Шлёнов С.А. Филаментация фемтосекундных ИК- и УФ-импульсов при фокусировке в воздухе II Квант, электрон. 2013. Т. 43, № 1. С. 29-36.

11. Бочкарев H.H., Кабанов A.M., Степанов А.H. Пространственная локализация области филаментации вдоль трассы распространения сфокусированного фем-тосекундного лазерного излучения в воздухе // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, №10. С. 863-867.

12. Ильин A.A., Соколова Е.Б., Голик С.С., Букин O.A., Шмирко К.А. Динамика спектров излучения плазмы, возбуждаемой излучением фемтосекундного лазера при воздействии на поверхность морской воды // Ж. прикл. спектроскопии. 2011. Т. 78, №6. С. 921-926.

13. Ахманов С.А., Выслоух В.А., ЧиркинА.С. Оптика фемтосекундных импульсов. М.: Наука, 1988. 312 с.

14. Багаев С.Н., ГейнцЮ.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 атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 5. С. 413^*18.

15. Grotrian IV. Graphische Dars tellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen. Berlin: J. Springer, 1928. Bd 2.

16. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A. Характеристики филаментов при распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе и в воде: I. Качественный анализ // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 9. С. 749-756.

17. ГейнцЮ.Э., Земляное A.A. Характеристики филаментов при распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе и в воде: II. Численное моделирование // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 9. С. 757-760.

18. Ceints Yu.E., KabanovA.M., ZemlyanovA.A., BykovaE.E., Bukin O.A., GolikS.S. Kerr-driven nonlinear refractive index of air at 800 and 400 nm measured through femtosecond laser pulse filamentation // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99, Is. 18. P. 181114 (3 P-).

Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1. Адамишин И.Г., Апексимов Д.В., Асылбекое P.A., Быкова Е.Е., ГейнцЮ.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Протасевич Е.С., Черепанова Т.В. Исследование эффективности транспортировки мощного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере // Изв. вузов. Физ. 2006. Т. 49, № 3. С. 202-203.

2. Булыгин А.Д., Быкова Е.Е., Земляное A.A., Земляное Ал.А. Особенности флуоресценции органических молекул из капли под действием фемтосекундного лазерного импульса при двухфотонном поглощении // Изв. вузов. Физ. 2009. Т. 52, №8. С. 84-91.

3. Апексимов Д.В., Букин O.A., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное A.A., Земляное Ал.А., Ильин A.A., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б. Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с жидкими средами. Часть 1. Взрывное вскипание крупных изолированных водных капель // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 7. С. 536-542.

4. Апексимов Д.В., Бочкарев Н.Н., БочковскийД.А., Быкова Е.Е., Кабанов A.M., Кис-тенев Ю.В., Никотин Е.С., Погодаев В.А., Протасевич Е.С., Романовский О.А., Степанов А. Н., Яковлев С.В. Исследование взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с биологическими тканями оптико-акустическим методом // Изв. вузов. Физ. 2010. Т. 53, № 5. С. 80-84.

5. Быкова Е.Е., Булыгин А.Д. Флуоресценция органических молекул из микрорезонатора, облучаемого ультракоротким импульсом // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. Физико-математические науки. 2010. Т. 152, кн. 3. С. 59-63.

6. Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Ильин А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б. Филаментация остро-сфокусированного ультракороткого лазерного излучения на 800 и 400 нм. Измерения нелинейного коэффициента преломления воздуха // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, №5. С. 351-358.

7. Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Ильин А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б., Хабибуллин P.P. Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с жидкими средами. Часть 2. Спектральные и угловые характеристики рассеяния на миллиметровых водных каплях // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 8. С. 648-653.

8. Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Ильин А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К, Соколова Е.Б., Хабибуллин P.P. Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с водными каплями // Прикл. физ. 2011. № 6. С. 13-21.

9. Geints Yu.E., Kabanov A.M., Zemlyanov A.A., Bykova E.E., BukinO.A., GolikS.S. Kerr-driven nonlinear refractive index of air at 800 and 400 nm measured through femtosecond laser pulse filamentation // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99, Is. 18. P. 181114(3 p.).

10. Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Kabanov A.M., Bykova E.E., Apeksimov D.V., BukinO.A., Sokolova E.B., GolikS.S., and Ilyin A.A. Angular diagram of broadband emission of millimeter-sized water droplets exposed to gigawatt femtosecond laser pulses // Appl. Opt. 2011. V. 50, Is. 27. P. 5291-5298.

11. Апексимов Д.В., Букин O.A., Быкова E.E., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Ильин А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К, Петров А.В., Соколова Е.Б. Филаментация фемтосекундных импульсов Ti:Sa-.na3epa на первой и второй гармониках в жидких средах//Изв. вузов. Физ. 2012. Т. 55, № 9/2. С. 160-162.

12. Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Ильин А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К, Петров А.В., Соколова Е.Б. Филаментация в воздухе сфокусированного импульса TiiSa-лазера на двух гармониках // Прикл. физ. 2012. № 6. С. 14—22.

13. Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Земляное А.А., Кабанов A.M., Матвиенко Г.Г. Длина филаментации мощного остросфокусиро-ванного фемтосекундного лазерного излучения в воздухе. Влияние размера светового пучка // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 3. С. 247-252.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 59.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Быкова, Елена Евгеньевна, Томск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

04201452453

На правах рукописи

Быкова Елена Евгеньевна

СРЕДАМИ

01.04.05 - оптика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н.

Кабанов Андрей Михайлович

Томск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... 4

ГЛАВА I ФИЛАМЕНТАЦИЯ СФОКУСИРОВАННОГО

УЛЬТРАКОРОТКОГО ИМПУЛЬСА Т1:8АРРНШЕ ЛАЗЕРА НА

ДВУХ ГАРМОНИКАХ В ВОЗДУХЕ........................................................... 12

1.1 Влияние мощности импульса ТкЗаррЫге лазера на двух

гармониках на пространственные характеристики филаментов....... 14

1.1.1 Методика и результаты экспериментов................................................ 16

1.1.2 Интерпретация экспериментальных данных........................................ 26

1.2 Влияние размера апертуры светового пучка на пространственные характеристики области филаментации мощного остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения

в воздухе................................................................................................... 33

1.2.1 Схема и методика эксперимента........................................................... 34

1.2.2 Пространственные характеристики области филаментации для различных размеров пучков................................................................... 38

1.2.3 Интерпретация экспериментальных данных по пространственным характеристикам области филаментации в зависимости от

диаметра лазерного пучка...................................................................... 47

Выводы по первой главе................................................................................ 55

ГЛАВА II ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С КАПЕЛЬНЫМИ СРЕДАМИ........................................ 5 7

2.1 Схема и методика проведения экспериментов по исследованию взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов

с одиночными каплями миллиметровых размеров................................ 58

2.2 Испарение и взрывное вскипание водных капель под действием мощного фемтосекундного лазерного излучения.................................. 60

2.3 Спектральные характеристики свечения капель в поле мощных фемтосекундных лазерных импульсов................................................... 67

2.4 Свечение морского аэрозоля под действием ультракоротких импульсов Ti:Sapphire лазера на первой и второй гармониках............ 79

Выводы по второй главе................................................................................ 86

ГЛАВА III ФИЛАМЕНТАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ДЛИНАМИ ВОЛН 800 И 400 НМ В СПЛОШНЫХ ЖИДКИХ СРЕДАХ........................................................................................ 88

3.1 Методика проведения экспериментов по исследованию трансформации пространственных и спектральных характеристик лазерных импульсов при их филаментации в сплошных жидких

средах...................................................................................................... 89

3.2 Результаты экспериментов по исследованию трансформации пространственных и спектральных характеристик лазерных импульсов при их филаментации в жидких средах............................ 92

Выводы по третьей главе.............................................................................. 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................... 105

Литература......................................................................................................... 108

ВВЕДЕНИЕ

Развитие нового перспективного направления лазерной физики - оптики ультракоротких лазерных импульсов - стимулировало широкий фронт исследований в области взаимодействия лазерного излучения с различными средами. В середине XX в. были достигнуты параметры лазерных импульсов, позволяющие проводить исследования самофокусировки и филаментации в воздухе, что представляет значительный интерес для задач атмосферной оптики. К настоящему времени достигнуты мощности излучения, при которых становится возможной реализация на протяженных атмосферных трассах таких нелинейно-оптических эффектов, как филаментация лазерного пучка, генерация суперкоптинуального свечения, неупругое рассеяние на аэрозолях, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость изучения взаимодействия такого излучения с газовыми, жидкими и аэрозольными средами для создания количественных моделей реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики и оптики океана. Среди них следует отметить проводку молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы, диагностику воздуха и воды на основе лазерной индуцированной плазмы и т.д. Особое место занимает задача управления положением и пространственными характеристиками области филаментации, которые, в основном, и определяют трансформацию пространственных и спектральных характеристик лазерных пучков при филаментации. Одним из наиболее эффективных способов такого управления являются фокусировка пучка и изменение его апертуры. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между исходными характеристиками излучения и наведенными при филаментации свойствами атмосферного канала распространения, несомненно, актуально в настоящее время.

Цель и задачи исследования

Целыо работы является установление количественных связей параметров сфокусированных мощных лазерных импульсов с пространственными характеристиками области филаментации и спектрами свечения жидких и жидкокапельных сред для задач нелинейной фемтосекундной оптики атмосферы.

Для достижения поставленной цели экспериментально исследовались:

- трансформация спектральных характеристик сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов в воздухе;

- свечение области филаментации при распространении в сплошных жидких средах в зависимости от мощности импульса, вида жидкости, угла приема светового сигнала.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Длина области филаментации остросфокусированных лазерных пучков является инвариантной к изменению его диаметра при условии равенства начальных интенсивностей. Указанная закономерность связана с преобладанием геометрической фокусировки над керровской самофокусировкой пучка в процессе формирования филамента.

2. Под воздействием импульсно-периодического фемтосекундного лазерного излучения миллиметровые оптически прозрачные капли взрывообразно вскипают в зонах максимума оптического поля и испаряются с выбросом части своей массы в виде пара и жидких фрагментов с теневой и освещенной полусфер. Причиной такого эффекта является фазовый переход жидкости в пар в местах локализации зон плазмообразования внутри капли.

4. При облучении жидкокапельного морского аэрозоля первой гармоникой ТкБаррЫге лазера с мощностью импульса >50 ГВт регистрируется свечение линии натрия на 589 нм, при облучении второй гармоникой наблюдается свечение в видимой области

спектра с максимумом на 460-470 им, связанное с флуоресценцией растворенных в

морской воде органических веществ.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается: методической проработкой регистрации и обработки оптических сигналов; корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок; использованием в качестве приемников оптических 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 при 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

Впервые обнаружена качественно новая закономерность, заключающаяся в инвариантности наблюдаемой длины области свечения (филаментации) по отношению к диаметру пучка при условии одинаковой пиковой интенсивности. Указанная закономерность не следует из формул стационарной теории самофокусировки коллимированного или слабо сфокусированного излучения и объясняется преимущественно линейным характером поперечного сжатия светового пучка до нелинейного фокуса.

Впервые установлено, что в поле ультракороткого светового излучения миллиметровые оптически прозрачные капли испаряются и вскипают с выбросом части своей массы в виде пара и жидких фрагментов. Это вскипание носит взрывной характер и при продолжительном действии излучения охватывает большую часть объема жидкой частицы. Причиной взрывной фрагментации является фазовый переход жидкости в местах локализации зон плазмообразования внутри капли. Эти зоны, в свою очередь, могут

возникать в жидкости при ее ультракоротком лазерном облучении в результате многофотонной ионизации молекул, поддержанной эффектом фокусировки оптического поля сферической поверхностью капли.

Причиной широкомасштабного изменения спектра лазерного импульса при его рассеянии на миллиметровой водной капле является самомодуляция фазы излучения вследствие оптической нелинейности жидкости за счет эффекта Керра и плазмообразования. По отношению к центральной длине волны спектральное уширение протекает достаточно симметрично в области коротких и длинных волн, что свидетельствует о преобладающей роли в процессе спектральных трансформаций излучения эффекта Керра. Вклад «плазменной» составляющей в нелинейную поляризуемость воды и, следовательно, в фазовую самомодуляцию лазерного импульса выражен значительно слабее, а наличие очагов оптического пробоя жидкости проявляется в основном в появлении широкополосного и практически изотропного свечения капли в видимой области спектра. Увеличение размера водной частицы при прочих равных условиях сопровождается дополнительным уширением спектра наблюдаемого рассеянного излучения.

При облучении микрометрового морского аэрозоля в свободном пространстве первой гармоникой Ti:Sapphire лазера с энергией в импульсе более 50 ГВт регистрируется свечение линии натрия, при облучении второй гармоникой наблюдается свечение в видимой области спектра, связанное с флуоресценцией растворенных в морской воде органических веществ.

При филаментации на первой и второй гармониках происходит уширение спектра исходного импульса, связанное с фазовой самомодуляцией, при этом для первой гармоники наблюдается смещение центра тяжести и максимума спектра в коротковолновую область, связанное с плазменной нелинейностью {blue shift), а для второй гармоники в длинноволновую область {red shift). Уширение спектра лазерных импульсов при одинаковой мощности в воде больше, чем при филаментации в воздухе.

В спектре филамента, формируемого первой гармоникой (800 им) в воде, при измерениях под углом 90° в стоксовой области относительно лазерного импульса

регистрируется первая положительная система молекулярного азота, позволяющая оценить температуру плазмы 4000-5000 К.

При филаментации импульсов на второй гармонике в дистиллированной воде наблюдается свечение с максимумом в области 464 им, связанное с комбинационным рассеянием на валентных колебаниях молекул воды.

Научная и практическая значимость

Результаты, полученные в работе, расширяют и углубляют представления о физике процесса филаментации сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов. Полученные количественные экспериментальные данные о трансформации пространственных и спектральных характеристик сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов при распространении в газовых, жидких и аэрозольных средах в условиях острой внешней фокусировки, в зависимости от длины волны, энергии, мощности интенсивности импульса, а также начального размера пучка, позволяют уточнить теоретические модели взаимодействия мощных импульсов с веществом атмосферы. Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении государственных контрактов № 02.438.11.7018, 02.740.11.0083, интеграционных проектов Президиума СО РАН №81, 67; работа поддерживалась грантами Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашения 8381, 8884), РФФИ № 09-05-00738а, 12-05-00716, 12-02-31714мол_а, Программой фундаментальных исследований Президиума РАН №13, Программой 8.1 ОФН РАН.

Апробация работы

атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2005, 2006, 2009, 2011, Бурятия, 2007, Красноярск, 2008, Иркутск, 2012; XV Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy, Nizhny Novgorod, 2006; IV, V, VI Международных конференциях «Фундаментальные проблемы оптики», Санкт-Петербург, 2006, 2008, 2010; IX Международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии «ФЭКС-2009», Казань, 2009; 13, 14 Международных молодежных научных школах «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия», Казань, 2009, 2011; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии», Томск, 2009; International Conference "ICONO/LAT-2010", Kazan, 2010; XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2011; X International Conference "AMPL-2011", Tomsk, 2011; 4-й Международной научно-практической конференции «АПР-2012», Томск, 2012; 50-й юбилейной международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2012.

Материалы диссертации изложены в 64 научных работах, в том числе 30 статьях, из них 13 в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора

Автор диссертации принимал участие в подготовке и выполнении экспериментальных работ, обработке экспериментальных данных, интерпретации полученных результатов. Обсуждение и написание статьей и тезисов докладов выполнено в соавторстве при его непосредственном участии. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ИОА СО РАН совместно с сотрудниками лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий.

На разных этапах исследований при решении различных задач автор работал в коллективе сотрудников 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 проводилась совместно с A.M. Кабановым, A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем (ИОА СО РАН). Теоретические и

численные расчеты, приведенные в работе для сравнения с экспериментальными данными, проводились A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем. Экспериментальные исследования взаимодействия мощного излучения Ti:Sapphire лазера с различными средами выполнялись совместно с A.M. Кабановым, Д.В. Апексимовым, В.К. Ошлаковым (ИОА СО РАН), С.С. Голиком (ДВФУ), A.A. Ильиным, Е.Б. Соколовой (ИАПУ ДВО РАН).

Структура диссертации

В первой главе представлен анализ современного состояния проблемы фемтосекундной нелинейной оптики атмосферы и океана. Изложена методика проведения экспериментальных исследований пространственных характеристик области филаментации сфокусированных лазерных импульсов фемтосекундной длите�