«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 24, ¹ 8 (2011)
НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И ОКЕАНЕ
УДК 004.41, 621.378.33, 535.016
Многофокусная структура светового филамента
Þ.Ý. Ãåéíö, À.À. Землянов
*
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Поступила в редакцию 16.03.2011 ã.
Теоретически рассмотрена динамика образования светового филамента при нестационарной самофокусировке
фемтосекундного лазерного импульса сверхкритической мощности в воздухе. В терминологии эффективного
радиуса пучка проведена качественная интерпретация данного процесса в рамках модели филамента
как множества нелинейных фокусов, образованных при послойной фокусировке светового импульса.
При этом наименьший размер фокальной перетяжки имеют временные слои, расположенные в центре и на
заднем фронте импульса, а наибольший – на переднем. Совокупность фокальных пятен отдельных временных
слоев импульса формирует протяженную перетяжку переменного диаметра, представляющую собой
световой филамент.
Ключевые слова: ультракороткое лазерное излучение, самофокусировка, филаментация, фотоионизация,
движущиеся ôîêóñû; ultrashort laser radiation, Kerr self-focusing, laser filamentation, photoionization, moving
focuses.
Филаментация мощного лазерного излучения
фемтосекундной длительности, происходящая вследствие
нестационарной керровской самофокусировки
импульса в среде, уже несколько десятилетий является
объектом пристального изучения специалистов
различных стран (наиболее полное состояние проблемы
представлено в обзорах [1–3] и монографиях
[4,
5] ). Такой интерес обусловлен, прежде всего,
перспективами использования данного явления в ряде
практических атмосферных приложений, таких как
создание протяженного ионизированного канала в атмосфере
[6], многокомпонентное детектирование загрязняющих
веществ [7], передача световой энергии
[8], генерация в терагерцовом диапазоне электромагнитных
импульсов [9] и äð.
Физическая причина филаментации заключается
в сильной пространственно-временной самомодуляции
фемтосекундного импульса при его распространении
в среде, проявляющейся во временной
компрессии импульса и последующем распаде пучка
в поперечном направлении на области с высокой интенсивностью.
При этом средний диаметр филамента
в атмосферном воздухе для ИК-излучения составляет
порядка сотни микрометров, пиковая интенсивность
достигает сотен тераватт на квадратный сантиметр,
а средняя протяженность филамента на горизонтальной
атмосферной трассе, как правило,
десятков метров [2].
В теоретическом плане для описания филаментации
светового импульса широко используется формализм
нелинейного уравнения Шредингера (НУШ)
[4], которое представляет собой дифференциальное
______________
* Юрий Эльмарович Гейнц (ygeints@iao.ru); Александр
Анатольевич Землянов (zaa@iao.ru).
уравнение в частных производных параболического
типа и позволяет рассчитать медленно меняющуюся
амплитуду световой волны в рамках параксиального,
однонаправленного распространения в нелинейной
среде. Модель оптической нелинейности газовой
среды включает в себя, как правило, электронный
и молекулярный эффекты Керра, нелинейную рефракцию
и поглощение в формирующейся в канале
пучка плазме, а также нелинейности высших порядков
по полю [1].
В общем случае для корректного описания самофокусировки
фемтосекундных импульсов необходимо
численное решение четырехмерного НУШ для
вектора электрического поля, что даже при современном
состоянии вычислительных мощностей компьютеров
является непростой задачей и поэтому существенно
ограничивает диапазон параметров лазерного
излучения, которые могут быть численно исследованы.
Эта проблема стимулировала появление
качественных моделей самофокусировки и филаментации
фемтосекундного импульса, которые трактуют
данный процесс с точки зрения известных физических
ситуаций, например модель самонаведенного
диэлектрического волновода [10], модель динамически
восполняющегося «фотонного резервуара» [11],
модель нелинейных конических волн (X-волн) [12]
и, наконец, модель движущихся нелинейных фокусов
[13, 14]. Ни одна из этих моделей не может
считаться универсальной, каждая из них описывает
только одну или несколько сторон наблюдаемого
явления, однако все они хотя и являются качественными,
но способны дать и количественные оценки
некоторых параметров процесса.
Модель движущихся фокусов (ДФ) исторически
была первой физической моделью филамента. Она
трактует световой филамент как множество локальных
Многофокусная структура светового филамента
641
Стр.1