Распространение нити

В нелинейной оптике распространение нити — это распространение луча света через среду без дифракции . Это возможно, поскольку эффект Керра вызывает изменение показателя преломления в среде, что приводит к самофокусировке луча.

Следы нитевидных повреждений в стекле, вызванные лазерными импульсами, были впервые обнаружены Майклом Герчером в 1964 году. Распространение лазерных импульсов в атмосфере накаливания наблюдалось в 1994 году Жераром Муру и его командой из Мичиганского университета . Баланс между самофокусирующейся рефракцией и самозатухающей дифракцией за счет ионизации и разрежения лазерного луча тераваттной интенсивности, создаваемого усилением чирпированного импульса , в атмосфере создает «нити», которые действуют как волноводы для луча, тем самым предотвращая расхождение. Конкурирующие теории о том, что наблюдаемая нить на самом деле была иллюзией, созданной аксиконическим (бесселевым) или движущимся фокусом вместо «волноводной» концентрации оптической энергии, были опровергнуты сотрудниками Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1997 году. Хотя для описания процесса филаментации были разработаны сложные модели, модель, предложенная Акозбеком и др. обеспечивает полуаналитическое и простое для понимания решение проблемы распространения сильных лазерных импульсов в воздухе.

Распространение нити в полупроводниковой среде также можно наблюдать в лазерах поверхностного излучения с вертикальным резонатором и большой апертурой .

Фемтосекундная лазерная филаментация в газовых средах

Самофокусировка

Лазерный луч, проходящий через среду, может модулировать показатель преломления среды как

$n={n_{0}+{\bar {n}}_{2}I}$

где $n_{0}$, ${\bar {n}}_{2}$ и $I$ – линейный показатель преломления, показатель преломления второго порядка и интенсивность распространяющегося лазерного поля соответственно. Самофокусировка происходит, когда фазовый сдвиг из-за эффекта Керра компенсирует фазовый сдвиг из-за гауссовой расходимости луча. Изменение фазы из-за дифракции гауссова луча после прохождения длины $\Delta z$ является

$\phi _{diffraction}={k\Delta z \over 2\rho _{0}^{2}}r^{2}$

а изменение фазы из-за эффекта Керра

$\phi _{Kerr}={2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }exp({-2r^{2} \over w_{0}^{2}})\approx {2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }(1-{2r^{2} \over w_{0}^{2}})$.

где $k={2\pi n_{0} \over \lambda }$, $\rho _{0}={\pi w_{0}^{2}n_{0} \over \lambda }$(диапазон Рэлея) и $w_{0}$ является перетяжкой гауссова пучка. Для того чтобы произошла самофокусировка, необходимо выполнить условие $r^{2}$ члены должны быть одинаковыми по величине как для керровской, так и для дифракционной фазы. Следовательно

$I_{0}={w_{0}^{2} \over 4\rho _{0}^{2}{\bar {n}}_{2}}$.

С другой стороны, мы знаем, что площадь гауссова луча в его перетяжке равна $\pi w_{0}^{2} \over 2$. Поэтому

$P_{c}={\lambda ^{2} \over 8\pi n_{0}{\bar {n}}_{2}}$.

Примечание

${\bar {n}}_{2}\left({cm^{2} \over W}\right)=n_{2}n_{0}\epsilon _{0}c$

Для самофокусировки требуется пиковая мощность лазера выше критической мощности. $P_{c}$ (порядка гигаватт в воздухе ), однако для инфракрасных (ИК) наносекундных импульсов с пиковой мощностью выше критической мощности самофокусировка невозможна. Многофотонная ионизация, обратное тормозное излучение и электронная лавинная ионизация — три основных результата взаимодействия газа и лазера. Последние два процесса представляют собой взаимодействия столкновительного типа и требуют времени (от пикосекунды до наносекунды). Наносекундного импульса достаточно для того, чтобы вызвать пробой воздуха до того, как мощность достигнет порядка ГВт, необходимого для самофокусировки. При пробое газа образуется плазма, обладающая поглощающим и отражающим эффектом, поэтому самофокусировка запрещена.

Перефокусировка при распространении сфокусированного короткого лазерного импульса

Интересным явлением, связанным с распространением нити, является перефокусировка сфокусированных лазерных импульсов после геометрической фокусировки. Распространение Гауссова луча предсказывает увеличение ширины луча в двух направлениях от геометрического фокуса. Однако в случае лазерной филаментации луч быстро схлопнется. Это расхождение и перефокусировка будут продолжаться бесконечно.

В фотореактивных системах

Формирование и распространение филаментов также можно наблюдать в фотополимерных системах. Такие системы демонстрируют оптическую нелинейность типа Керра за счет фотореактивного увеличения показателя преломления. Нити образуются в результате самозахвата отдельных лучей или нестабильности модуляции широкополосного светового профиля. Распространение нитей наблюдалось в нескольких фотополимеризующихся системах, включая органосилоксан, акрил, эпоксидная смола и сополимеры с эпоксидными смолами, и полимерные смеси. Местами формирования и распространения нитей можно управлять путем модуляции пространственного профиля входного светового поля. Такие фотореактивные системы способны создавать нити из пространственно и временно некогерентного света, поскольку медленная реакция реагирует на среднюю по времени интенсивность оптического поля, в результате чего фемтосекундные флуктуации размываются. Это похоже на фоторефрактивные среды с немгновенным откликом, которые позволяют нити распространяться с некогерентным или частично некогерентным светом.

Возможные применения

Нити, образуя плазму, превращают узкополосный лазерный импульс в широкополосный, имеющий совершенно новый набор применений. Интересным аспектом плазмы, индуцированной филаментацией, является ограниченная плотность электронов - процесс, который предотвращает оптический пробой. Этот эффект является отличным источником для спектроскопии высокого давления с низким уровнем континуума, а также меньшим уширением линий. Еще одним потенциальным применением является ЛИДАР -мониторинг воздуха.

Нарезка плоских панелей с использованием коротких лазерных импульсов является важной областью применения, поскольку по мере того, как стеклянные подложки становятся тоньше, становится все труднее повысить производительность процесса с использованием традиционных методов нарезки алмазными лезвиями. Использование коротких импульсов со скоростью нарезки кубиками более 400 мм/с было успешно продемонстрировано на нещелочном стекле и боросиликатном стекле с использованием мощного фемтосекундного лазера 50 кГц и мощностью 5 Вт. Принцип работы, разработанный Камата и др. заключается в следующем. Короткоимпульсный лазерный луч, имеющий длину волны, для которой изделие прозрачно, направляется к передней поверхности изделия по направлению к задней поверхности и фокусируется. Нить в направлении движения светового луча от перетяжки луча формируется за счет действия автофокусировки из-за распространения лазерного луча в работе. Вещество в нити разлагается под действием лазерного луча и может выбрасываться с тыльной поверхности, при этом в канале образуется полость. При формировании полости лазерный луч сканируется, формируется обработанная поверхность, после чего заготовку можно резать со слабым изгибающим напряжением.

В июле 2014 года исследователи из Университета Мэриленда сообщили об использовании филаментирующих фемтосекундных лазерных импульсов в форме квадрата для создания градиента плотности в воздухе, который действует как оптический волновод длительностью порядка нескольких миллисекунд. Первоначальные испытания продемонстрировали усиление сигнала на 50% по сравнению с неуправляемым сигналом на расстоянии около одного метра. В 2021 году было продемонстрировано полевое применение, где Yb:YAG- лазер с частотой повторения 1030 нм тераваттной мощности, установленный вблизи телекоммуникационной башни Сентис высотой 124 метра , использовался для направления ударов молний к стержню Франклина башни , открывая возможность создания в будущем лазерных громоотводов.

Внешние ссылки

• Эксперименты подробно описывают, как мощные ультракороткие лазерные импульсы распространяются по воздуху
• Филаментация и распространение ультракоротких и интенсивных лазерных импульсов в воздухе. Архивировано 10 января 2008 г. в Wayback Machine.