Множественная - ofvp.phys.msu.ru

Тема 8

Множественнаяфиламентация

Нелинейная оптика лазерных филаментов: Тема 821.03.2017 2

План лекции

8.1 Модуляционная неустойчивость интенсивного светового поля

8.2 Мелкомасштабная самофокусировка и многофиламентация

8.3 Взаимодействие когерентных филаментов

8.4 Суперфиламент

§8 Множественная филаментация


Множественные филаменты в импульсеТВт мощности в воздухе

«Горячие» точки в поперечном распределении флюенса. P = 120 Pcr

Berge L. et al. // PRL, 2004, 92

Teramobile: λ = 793 нм, ширина спектральной полосы 16 нм, τ = 70 фс, E= 350 мДж (стабильность 2.5%), Pmax = 5 ТВт, частота повторения 10 Гц,диаметр выходного пучка 50 мм [H. Wille, et al., Eur. Phys. J. AP 20, 183 (2002)].

P = 240 Pcr , z = 30 м, τ = 45 фс

W.Liu, S. A.Hosseini1, Q.Luo, B. Ferland, S.L.Chin, .G.Kosareva, N.A.Panov and V.P.Kandidov. // New J. of Phys., v. 6, 6 (2004).

z = 1м 40м 55м


Модуляционная неустойчивость плоской волны в кубичной среде

mAAAkazzayyaxx /,/// 20,0,0

Безразмерные переменные:

An

AnkA

zAik

0

22

222

поcrPPRAARA

zAi /,2 0

2

I

поcr nk

nP2

20

2

2

2

2

2

yx



AARAzAi 22


Плоская волна:

1,

,

00

00

constAeAA

eAAAeAA

zi

zi

р

рziрр

2)(2

202

0RAARAAii



AARAzAi 22


Малое возмущение: 00 ,)( AaeaAA zi

zizi

zizi

eaAaAaARea

eiaAezai

))()((

))((2

0*

00

0

𝐴0

a

Нелинейная оптика лазерных филаментов: Тема 8

))(2(2

)(22

*0

20

20

20

0

aAaaAARa

RAaAzai

))()((

))((2

0*

00

0

aAaAaARa

iaAzai

21.03.2017 8



2

20RA




))(2(2

)(22

*0

20

20

20

0

aAaaAARa

RAaAzai

aoaRAaRARAa

aRARAzai

20

*20

30

20

30

2

2

aRAaRAazai 2

0*2

02




*202 aaRAa

zai

21

1201

2

2:Im

22:Re

aza

aRAaza

Пусть: 21 iaaa




02

022

12

120

21

zaa

aRAzaa

]Re[],Re[ 202101zrizri eaaeaa

Решениев виде:

02

022

122

12021

2

aa

aRAaa

Нелинейная оптика лазерных филаментов: Тема 821.03.201712

Инкремент нарастания возмущений Γ

21,aa

02

022

122

12021

2

aa

aRAaa

02

2)2(

2

12

220

aaRA

22220 4)2( RA

)2(4

220

22

RA



)2(4

220

22

RA

20

22 20 RAпри

0

00

022

22

112

~

2

AR

ARAR

AR

xx

xx

yx



)2(4

220

22

RA

Γ

max

04

)2(41 2

2202

2

RA

20

2max RA

24)( 2

0max

2202

maxRARA

)( 22


Характерный пространственный масштаб Λвозмущений с максимальным инкрементом

2

20

maxRA

0

max

0maxmax

22

2222

AR

AR

x

x

crпо

cr

поcr

р

oр

PPAPPP

RAaIIP

ARaa

3,17,42

22

2

200

20

20

20

2

0

2

0

0

0


8.2 Мелкомасштабная самофокусировка и многофиламентация

1) Неоднородности исходного пучка

2) Флуктуации параметров среды на трассе

3) 1+2

Развитие множественной филаментации(компьютерное моделирование, фазовые флуктуации)

AnnAnnk

yA

xA

zAik p

~22 22

0

2

2

2

2

2

))(( 02

ee NNAR

tN

2

20

2 p

p

nn eep mNe /4 2

2

0

2

20

22

0 2exp

2exp),0,,(

ta

yxAtzyxA

фссмa 10092,0 0

56 м 80 м

x

z, m

y

40 50 60 70 80

Развитие множественной филаментации(P = 20Pcr )

Поверхности равного уровня плотности энергии (18 мДж/см2).

Импульс:0,8 мкм; 100 фс,

0,92 см (e-1), 0,45·1011 Вт/см2

48 м 72 м

Шленов С.А., Кандидов В.П., Изв. РАН, №8 (2005)

Флюенс всечении

пучка

Развитие множественной филаментации

Интенсивность в центре импульса

Поверхностная плотность энергии

(флюенс)

0

0

3

3

),,(),(

dzrIzrF

,


8.3 Взаимодействие когерентных филаментов

Образование филаментов в импульсе с начальными возмущениями интенсивности - суперпозиция двух парциальных когерентных пучков:

2

0

22

020

22

0 22exp

22exp,

axdyA

axdyAyxA

0200 IaP


Гамильтониан «двугорбого пучка»

I

поcr

поcr nk

nPPPR2

20

0 2,/


Критическая мощность

)1("0" crPP

)2()1("1" crcr PPP

)2("2" crPP

В.П. Кандидов, О.Г. Косарева, С.А. Шленови др., КЭ, № 1 (2005)

"0""1"

"2"

)(HcrP


Взаимодействие когерентных филаментов. Импульс

Динамическая задача:(вода)

yxАzyxА ,}τ2/τexp{τ,0,, 20

2

)2(0

0

27

63*22

crPPфс

мкмad

0/ difLz 15,0 20,0 25,0 30,0

флюенс

плазма


Взаимодействие когерентных филаментов. Сдвиг фазы

ie

axdyA

axdyAzyxE 2

0

22

020

22

0 22exp

22exp0,,

Воздух. Численная модель:

Ting-Ting Xi et al // PRL 96, 025003 (2006)


Взаимодействие когерентных филаментов. Влияние интерференции

0

время


Скрещенные филаменты

recomb

ee

cgape

cee

e

e

ep

ppK

pK

nn

EmAe

nnAKn

mne

nnAcnIInn

AikAnnnk

ADkAzAik

)(2))((

4,

2,8/,

)()(2~22

220

2202

22

20

22

02

00

20

00

А. А. Дергачев, В. Н. Кадан, С. А. Шленов.Квантовая электроника, 42(2):125–129, 2012.


Скрещенные филаменты


Скрещенные филаменты в кристалле сапфира

Вид сверху на плоскость скрещенных филаментов

Вид сбоку

ЭF

ρлин


Свечение плазменных каналов при множественной филаментации в стекле

P = 70-100 ГВт, длина волны = 800 нм

3 мДж

4,5 мДж

Гейнц Ю.Э. и др. // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 12.


Численное моделирование множественной филаментации в широких пучках

Периодические граничные условия

Оценки:rf ~ 50 мкм, dх=dy ~ 1 мкм

Nx=Ny=2000Размер области a*a=2*2 мм

Mfil ~ 25, P ~ Мfil*5Pcr = 150 Pcr

Широкий пучок a0>>a, a0 = 10a =2 смPo = 150 Pcr*(a0/a)2 = 15 000*5 ГВт=

= 75 TW


Численное моделирование множественной филаментации в широких пучках


Guillaume Point et al. // Phys. Rev. Lett. 112, 223902 (2014)

8.4 Суперфиламент

Фотобумага, одиночный

импульс

Реконструкция по срезам через

2 см

Плотный пучок филаментов в слабо фокусированном (Rf = 5 м) ТВт излучении в воздухе

W = 200 мДж,λ = 800 нм30 мм FWHMRf = 5 м(NA = 3×10−3)τ = 175 фсP = 230 P cr

Воздух


Люминесценция плазмысуперфиламента в воздухе

BG39 colored filter 320-700 нм Z = 4,40 м Z = 4,90 м

перетяжка


Концентрация электронов в плазме суперфиламента

ne(z) ~ L(z)/S(z)

1. z < 4,5 мстандартные филаменты, постоянная интенсивность и концентрация.

2. 4,5 м < z < 5 мрост концентрации в 18 раз,

3. z > 5 м – конец области плотной плазмы длиной 50 см


Результаты вычислительного эксперимента

0,1%NL


Суперфиламент в воздухе

Плотный пучок филаментов в слабо фокусированном ТВт излучении в воздухе

• Эволюция не может быть описана двойными взаимодействиями.

• В перетяжке возникает несколько нитевидных структур, похожих на обычные филаменты, но обладающих существенно большей энергией и существующих десятки сантиметров.

• Плазма имеет на порядок большую концентрацию.


Литература по лекционному материалу

Модуляционная неустойчивость

1. В.И.Беспалов, В.И.Таланов «О нитевидной структуре пучков света в нелинейных жидкостях» Письма в ЖЭТФ. Т.3, с.471-476, 1966

2. В.И. Беспалов, А.Г. Литвак, В.И. Таланов. Самовоздействие электромагнитных волн в кубичных изотропных средах / В сб. Нелинейная оптика. Труды 2-го Всесоюзного симпозиума по нелинейной оптике. - Новосибирск : Наука, сибирское отделение, 1968, С. 428-463.

3. http://ofvp.phys.msu.ru/upload/iblock/d28/Тема_8.pdf

Documents

Множественная - ofvp.phys.msu.ru