Влияние атмосферного аэрозоля на процесс филаментации ультракоротких лазерных импульсов

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ НА ПРОЦЕСС
ФИЛАМЕНТАЦИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Касимов А.К.
Национальный университет Узбекистана
Овляева С.
Национальный университет Узбекистана, магистрантка

Исследования распространения мощных лазерных импульсов в условиях

реальной атмосферы в настоящее время вызывает все возрастающий интерес.
Этот интерес обусловлен развитием фемтосекундной лазерной техники с одной стороны, и перспективой ее использования в широком круге атмосферных приложений с другой. Среди этих приложений значительное место занимают задачи лазерного зондирования атмосферы, т.е., удаленного обнаружение загрязняющих примесей в газовом составе атмосферы и в атмосферном аэрозоле. Не менее важна задача управление электрическим пробоем в воздухе для защиты различных объектов от ударов молний и др. Для решения этих задач перспективным направлением представляется использование явлении филаментации лазерного излучения, которое представляет собой пространственно-временную локализацию энергии. Взаимодействие лазерного излучения с частицами аэрозоля может оказать существенное влияние на явление филаментации лазерного импульса и генерацию суперконтинуума, который в настоящее время рассматривается как перспективный источник для широкополосного зондирования атмосферы фемтосекундными лидарами белого света. Кроме ослабления и рассеяние лазерного излучения, аэродисперсная среда может привести к возникновению сильных возмущений светового поля, вызванных хаотически расположенными частицами аэрозоля. Возникающие в поперечном сечении импульса возмущения могут стать центрами развития модуляционной неустойчивости излучения в среде с керровской нелинейностью и, следовательно, областями наиболее вероятного образования филаментов.
Задача изучения распространения мощного ультракороткого лазерного
излучения в различных средах, к которой относится процесс филаментации в
атмосфере, является одной из наиболее сложных проблем современной оптики. Филаментация - это внешнее проявление фундаментального процесса
самовоздействия мощного ультракороткого лазерного излучения
распространяющегося в прозрачной среде. Динамическое взаимодействия двух нелинейных процессов, таких как, самофокусировка излучения, в результате эффекта Керра, и дефокусировка того же излучения со стороны низкоплотной плазмы, созданной туннельной ионизацией молекул среды при
распространении импульса, создает условия для фазовой и частотной
самомодуляции излучения. Поэтому филаментация сопровождается генерацией интенсивного излучения в широком диапазоне длин волн (суперконтиниум). Такое излучение открывает большие возможности для дистанционного спектроскопического анализа состава атмосферы. Однако методология обработки данных широкополосного зондирования только начинает 66 разрабатываться. В настоящее время проводятся исследование возможности управления процессом формирования филамента, путем фазовой и пространственной модуляции исходного излучения, с целью получения
генерации суперконтиниума в заданной точке пространства. В связи с этим
необходимо проведения исследований для учета влияние внешних факторов, и в частности исследовать влияние атмосферных аэрозолей, их концентрации,
формы, распределения по размерам на процесс формирования филамента.
Для решения поставленной задачи разработана компьютерная модель
распространения излучения в прозрачной сферической частице в приближении геометрической оптики с использованием метода лучевых траекторий. Для учета керровской нелинейности в [1] предложен метод, основанный на том, что под воздействием излучения однородная среда становиться цилиндрически–неоднородной. Использование такого представления позволяет описать нелинейную самофокусировку излучения и в отдельно взятой частице. Этот метод используется в сочетании с методом Монте-Карло для исследования траектории каждого луча. Таким образом, для импульсов с протяженностью в пространстве, не превышающем диаметра сферической частицы, изучены пространственное распределение интенсивности фемтосекундного лазерного импульса в аэрозольной частице.
Для описания влияния ансамбля аэрозольных частиц используется метод,
предложенный в [2] для описания неоднородностей самой среды. Этот метод
предлагается распространить и на дисперсную среду. На основе предложенного метода, дисперсная среда представляется в виде
z последовательности слоев шириной , и все частицы, которые находятся в
одном дисперсном слое, сосредоточены в одной плоскости, в так называемом
плоском аэрозольном экране. Между экранами происходит дифракция и
нелинейно-оптическое взаимодействие излучения, испытавшего рассеяния.
На рис 1. представлена общая схема моделирования распространения
ультракоротких лазерных импульсов в аэрозольной среде. Первый фазовый
экран слева на рисунке – экран ответственный за влияние неоднородностей
самой атмосферы. Неоднородности атмосферы представляются на основе
модели Кармана [3]. Второй экран слева – экран ответственный за фазовые
сдвиги обусловленные наличием аэрозолей. Для упрощения расчетов в первом
приближении аэрозоль считается монодисперсной т.е., состоящей из круглых
частиц одинаковых размеров с одинаковыми показателями преломления.


Рис.1 Схема расположения фазовых экранов описывающих
турбулентность и влияние аэрозолей
Известно, что влияние водного аэрозоля высокой оптической плотности
на филаментацию мощных лазерных импульсов подобно линейному
ослаблению. Кроме ослабления, рассеяние мощного фемтосекундного
лазерного импульса в аэродисперсной среде с параметрами типичными для
атмосферных образований (облачность, туман, дождь) может привести к
возникновению сильных возмущений светового поля, вызванных хаотически
расположенными частицами аэрозоля. Возникающие в поперечном сечении
импульса возмущения, могут стать центрами развития модуляционной
неустойчивости излучения в среде с керровской нелинейностью и,
следовательно, областями наиболее вероятного образования филаментов.
Таким образом, влияние аэрозолей сводится к случайному ослаблению
излучения в конкретных точках пространства. При керровской самофокусировке, интенсивность в области поперечного сечения пучка, где формируется нелинейный фокус, резко возрастает, а поперечный размер участка где сосредоточена основная часть излучения уменьшается до размеров сравнимых с размером отдельной крупной аэрозольной частицы ( ~ 100 мкм), поэтому в численном эксперименте расстояние между «нелинейными фазовыми экранами» уменьшалось с ростом интенсивности излучения. На рис. 2 приведено нормированное пространственное распределение интенсивности в центральном временном срезе ультракороткого импульса при
Cn2  1 .0  10 12 cm 2 / 3 сильной турбулентности ( ), и мощности в центральном слое P0 = 38*109 Вт. Исходное гауссовское распределение интенсивности сильно исказилось в результате влияния неоднородностей атмосферы. В начальном этапе распространения, влияние аэрозолей на процесс формирования филаментов незначительное. В результате влияния
неоднородностей единый пучок распался, и образовались три нелинейных фокуса.

Рис. 2. Нормированное пространственное распределение

интенсивности в момент сформирования первого филамента в
мультиплетном филаменте.
На рис. 2 приведено нормированное пространственное распределение
интенсивности в центральном временном срезе ультракороткого импульса при
Cn2  1 .0  10 12 cm 2 / 3 сильной турбулентности ( ), и мощности в центральном слое P0 = 38*109 Вт. Исходное гауссовское распределение интенсивности сильно исказилось в результате влияния неоднородностей атмосферы. В начальном этапе распространения, влияние аэрозолей на процесс формирования филаментов незначительное. В результате влияния
неоднородностей единый пучок распался, и образовались три нелинейных
фокуса. При дальнейшем распространении два нелинейных фокуса сформировались в филаменты, третий распался из-за влияния рефракции на
аэрозоле. Как показали расчеты, влияние турбулентности атмосферы наиболее
сильно проявляется в начальной стадии самофокусировки когда, нелинейное
изменение показателя преломления мало или сравнимо с изменениями показателя преломления вызванного атмосферной турбулентностью. С
увеличением интенсивности в процессе самофокусировки, нелинейные изменения показателя преломления возрастают, и после того, как появится ярко выраженный центр фокусировки, турбулентность не оказывает значительного влияния на процесс фокусировки. Влияние аэрозолей в начальном этапе формирования филамента незначительное. После образования центра фокусировки аэрозольная частица может вызвать распад нелинейного фокуса из-за сильной рефракции излучения. На основании проделанных экспериментов можно сделать следующий вывод:
Влияние атмосферной аэрозоли наиболее сильно проявляется после
начала самофокусировки, когда поперечны размеры центров фокусировки,
сравнимы с размерами отдельных аэрозолей. Наибольшее влияние на
распространение излучения и на формирование филаментов оказывают
крупные аэрозоли. Аэрозоли меньших размеров (~10 мкм) практически не
оказывают влияние на распространение филаментов путем рефракции. Вопрос рассеяния излучения на мелких, сравнимых с длиной волны излучения
аэрозольных частицах, будет рассмотрен отдельно.
Список литературы:
1. Бахрамов С. А, Касимов А. К., Пайзиев Ш.Д. «Особенности распространения мощных ультракоротких лазерных импульсов в атмосфере» Оптика атмосферы и океана, т.21, №01, (2008), стр. 81 -84.
2. Клиффорд С.Ф. Классическая теория распространения волн в турбулентной среде В кн. Распространение лазерного пучка в атмосфере под.
ред. Д.Стробена. 3. Шленов С.А., КандидовВ.П. Формирование пучка филаментов при распространении фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере. Оптика атмосферы и океана, т.17, №8, 630