Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Кабанов, Андрей Михайлович

• Кабанов, Андрей Михайлович
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кабанов, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

Взаимодействие мощного лазерного излучения с однородно поглощающими аэрозольными частицами.

1.1 Экспериментальная методика определения характеристик процесса взрывного вскипания.

1.2 Результаты измерений характеристик процесса взрывного вскипания частиц водного аэрозоля.

1.3 Модель взрывного вскипания однородно поглощающей частицы в поле лазерного импульса.

Выводы по главе.

ГЛАВА II

Взаимодействие мощного лазерного излучения с неоднородно поглощающими частицами аэрозоля.

2.1. Исследования взрыва неоднородно поглощающих частиц по сигналу светорассеяния.

2.1.1. Экспериментальная методика исследования взрыва аэрозольных частиц по сигналу светорассеяния.

2.1.2. Сигналы светорассеяния при взрывном вскипании и разрушении частиц пол и дисперсного аэрозоля.

2.2. Исследования взрыва неоднородно поглощающих частиц под действием лазерного импульса по акустическому отклику.

2.2.1. Экспериментальная методика акустической диагностики процесса взрыва неоднородно поглощающих частиц.

2.2.2. Результаты исследований взрыва аэрозольных частиц в поле мощного лазерного излучения по акустическому отклику.

2.3. Разрушение неоднородно поглощающих аэрозольных частиц при их взрывном вскипании.

Выводы по главе.

ГЛАВА III

Распространение интенсивных лазерных импульсов на атмосферных трассах в условиях реализации нелинейно-оптических эффектов. ЮЗ

3.1 Акустическая диагностика эффективности формирования очагов пробоя в атмосфере.

3.2 Геометрия плазменных очагов при распространении интенсивных лазерных пучков в атмосфере.

3.3 Модель нелинейного коэффициента аэрозольного ослабления при его взрывном вскипании и разрушении.

3.4 Эффективность передачи энергии МЛИ на приземных атмосферных трассах.

Выводы по главе.

ГЛАВА IV

Распространение лазерных импульсов фемтосекундной длительности в газовых и аэрозольных средах.

4.1 Распространение фемтосекундных импульсов в аэрозоле.

4.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.1.2 Результаты экспериментов по распространению фемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле.

4.2 Филаментация сфокусированного лазерного пучка.

4.2.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.2.2 Результаты экспериментов по филаментации сфокусированного лазерного импульса.

4.3 Трансформация спектра лазерного импульса при его филаментации.

4.3.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.3.2 Результаты экспериментов по трансформации спектра лазерного импульса при филаментации.

4.4 Пространственные характеристики сфокусированного лазерного пучка при его филаментации.

4.4.1 Экспериментальная установка и методика проведения измерений.

4.4.2 Результаты экспериментов по трансформации пространственной структуры лазерного пучка при филаментации.^ ^

4.5 Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с конденсированными средами.^з

4.5 Экспериментальные исследования филаментации мощных лазерных импульсов атмосфере.^

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптика мощных лазерных импульсов в газово-аэрозольных средах»

Актуальность исследований

Нелинейная атмосферная оптика, являясь одним из разделов современной атмосферной оптики, начала развиваться в 70-ые годы прошлого века и стабильно наращивает развитие, трансформируя и расширяя круг задач в соответствии с развитием лазерной техники.

Актуальность исследований распространения лазерных импульсов микросекундной длительности, генерируемых на колебательных переходах двуокиси углерода, в силу больших кпд, определялась практической потребностью передачи лазерной энергии, созданных в 70-ые годы прошлого века источников, через атмосферу. При этом аэрозольная фракция, практически всегда в том или ином виде присутствующая в атмосфере, является наиболее значимой, с точки зрения ослабления лазерного излучения. Основным и наиболее распространенным аэрозолем атмосферы, влияющим на условия распространения лазерного излучения, является водный аэрозоль - дождь, морось, туман, облака.

Взаимодействия мощного лазерного излучения с ансамблями водных частиц протекает различным образом в зависимости от длины волны лазерного излучения, что определяет поглощающие свойства капель, длительности лазерного импульса, определяющей мощность излучения, размера частиц от которого зависит степень неоднородности распределения световых полей по объему аэрозольной частицы.

Для импульсного излучения СОг-лазеров микросекундной длительности энергетические пороги нелинейно-оптических эффектов, испарение, взрыв, фрагментация, оптический пробой частиц водного аэрозоля составляют от нескольких л до несколько десятков Дж/см , поэтому учет данных эффектов необходим в задаче транспортировки мощных пучков в аэрозольной атмосфере. Для прогноза эффективности передачи лазерной энергии в заданную область пространства необходим учет трансформации оптических свойств среды при распространении в ней мощного лазерного излучения. Построение модели ослабления излучения аэрозольной атмосферой невозможно без первоначального моделирования процесса взаимодействия излучения с отдельной аэрозольной частицей и оптических последствий этого взаимодействия. Поскольку задача, в силу многообразия взаимовлияющих факторов, достаточно сложна для чисто теоретического моделирования, необходима экспериментальная информация о количественных характеристиках процессов [4]. Поэтому к моменту начала исследований в проблеме прогноза распространения мощного лазерного излучения в атмосфере стояла задача о построении полуэмпирических моделей взаимодействия излучения с водным аэрозолем. При этом важно не только промоделировать возможные сценарии взаимодействия и их последствий в контролируемых лабораторных условиях, определить необходимый минимум измеряемых в эксперименте характеристик, но и верифицировать имеющиеся массив натурных измерений.

Данное направление исследований актуально и в настоящее время, но уже в задачах распространения коротких и ультракоротких лазерных импульсов в слабопоголощающем аэрозоле [215]. При этом причиной фрагментации практически прозрачных для длины волны наиболее часто используемых фемтосекундных лазерных импульсов (X - 0,8 мкм) капель воды, служит не прямой нагрев за счет поглощения, а формирование плазменных очагов внутри частиц за счет многофотонной и каскадной ионизации, рекомбинация плазмы и разрушение частиц с формированием аэрозоля с новой микроструктурой, определяющей дальнейшие условия распространения излучения.

Развитие нового перспективного направления лазерной техники -фемтосекундной оптики - открыло новый широкий круг задач, в том числе и для атмосферной оптики. К настоящему времени достигнуты длительности менее десяти фемтосекунд [216] и, соответственно, гигантские, вплоть до петаватт [217], мощности излучения, при которых реализуются ранее недостижимые в атмосфере нелинейно-оптические эффекты, такие как филаментация лазерного пучка, генерация суперконтинуального свечения, неупругое рассеяние, генерация высших гармоник и т.д. Возникла необходимость всестороннего изучения физики взаимодействия такого излучения с газовой и аэрозольной компонентами атмосферы, исследования количественных проявлений реализуемых эффектов, а также возможностей их использования в задачах атмосферной оптики, таких как например, проводка молниевых разрядов по заданной траектории, многочастотное зондирование параметров атмосферы с помощью лидаров белого света, нелинейная спектроскопия атмосферы. Следует отметить, что количество публикаций в российской печати в данной области, посвященных теоретическому моделированию на порядок превышает количество экспериментальных исследований. Проведение экспериментов, направленных на установление количественных связей между характеристиками излучения и наведенными оптическими свойствами атмосферного канала распространения, несомненно, актуально в настоящее время.

Цель и задачи исследования

Целью работы является экспериментальные исследования проблемы самовоздействия при распространении в газово-аэрозольной атмосфере мощных лазерных импульсов в диапазоне длительностей от микросекунд до фемтосекунд в различных спектральных диапазонах лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

Экспериментальное исследование взаимодействия интенсивных лазерных импульсов микросекундной длительности с частицами поглощающего жидкокапельного аэрозоля. Определение минимального набора характеристик взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц, достаточного для описания оптических последствий этих процессов. Получение количественной информации об этих характеристиках и их зависимостей от параметров лазерного воздействия, для создания полуэмпирической модели светоиндуцированного взрыва водного аэрозоля.

Построение прогностической и оперативной моделей эффективности распространения излучения в атмосфере на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных исследований взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с аэрозолем.

Разработка физических основ использования нелинейно-оптических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с аэрозолем для диагностики микрофизических свойств аэрозоля и структуры лазерных пучков повышенной интенсивности с использованием оптического и акустического зондирования.

Исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем, особенностей филаментации сфокусированных лазерных пучков, трансформации спектральных характеристик излучения и пространственного распределения энергии в поперечном сечении лазерного импульса при его филаментации, а также филаментации лазерных импульсов пикои фемтосекундной длительности в атмосфере в режиме частотной модуляции импульса.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Физическим содержанием полуэмпирической модели лазерно-индуцированного фазового взрыва жидкости в капельной форме является зависимость времени взрыва капель, степени испарения и дробления частиц аэрозоля при взрыве от скорости выделения теплоты в материале частицы. Энергетический порог полного разрушения поглощающих капель в поле микросекундных лазерных импульсов возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева.

2. При распространении мощного импульсного излучения СОг-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения. Разработанная на основе сопоставительного анализа лабораторных и натурных экспериментов эмпирическая модель, позволяет осуществлять прогноз эффективности транспортировки лазерной энергии.

3. При взаимодействии мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с жидкокапельным аэрозолем из слабопоглощающих микрочастиц реализуется поглощение излучения в веществе частиц превышающее поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава. Аэрозольная 7 среда (с концентрацией частиц в диапазоне 1(Г -10' см") для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.

4. Экспериментами по фокусировке фемтосекундного лазерного импульса в нелинейную воздушную среду установлено значительно большее увеличение угловой расходимости пучка, после прохождения им фокуса, чем предсказывает традиционная модель керровской нелинейности. Эмпирические данные послужили основой для оптической модели взаимодействия остросфокусированных ультракоротких лазерных импульсов с воздухом. Ширина и смещение максимума свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации определяются эффективной длиной филамента.

5. Разработанная методика совместной регистрации оптического и акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом атмосферы, позволяет определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения поглощательных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, определять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натурных и лабораторных экспериментов.

Достоверность научных результатов подтверждается: методической проработкой регистрации и обработки оптических и акустических 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 с 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

1. Впервые определен и измерен набор основных характеристик процесса взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц различной микроструктуры при воздействии лазерного излучения: энергетический порог взрыва, время взрыва, степень испарения, степень дробления.

2. Экспериментально исследованы закономерности формирования акустического сигнала от аэрозоля с различной микроструктурой и от одиночных частиц различного размера. На основе впервые измеренных зависимостей амплитуды акустического отклика на лазерно-индуцированные фазовые переходы в частицах от размера частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения установлены значения величин порогов взрыва и разрушения частиц.

3. По полученным из оптических и акустических измерений значениям порогов взрывного вскипания и разрушения аэрозольных частиц при взрывном вскипании, впервые установлена зависимость величины данных порогов от размера частиц и скорости нагрева их лазерным излучением.

4. На основе полученных из оптических и акустических измерений данных о последствиях взрывного вскипания и разрушения полидисперсного водного аэрозоля и одиночных частиц различного размера построена модель взрыва водного аэрозоля произвольной микроструктуры в поле импульсного лазерного излучения, позволяющая проводить оценку пропускания аэрозольной среды, сформированной при прохождении лазерного импульса.

5. Установлено, что совместная регистрация оптических и акустических последствий взрыва аэрозольных частиц в поле лазерного импульса могут быть использованы для дистанционного бесконтактного восстановления распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка повышенной интенсивности и концентрации аэрозольных частиц.

6. На основе экспериментальных исследований временных характеристик акустического отклика при различных режимах взаимодействия лазерного излучения с малым объемом жидкости установлено, что форма акустического импульса зависит от режима взаимодействия лазерного излучения с веществом.

7. На основе проведенного сопоставительного анализа данных по энергетическому ослаблению пучка излучения импульсного С02-лазера на горизонтальной приземной трассе и результатов лабораторных исследований по взаимодействию такого излучения с дисперсными средами предложена модель прогноза энергетического ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях.

8. Экспериментально установлено, что при распространении фемтосекундных импульсов в аэрозоле происходит увеличения поглощенной энергии фемтосекундного импульса в сравнении с импульсами наносекундной длительности за счет реализации нелинейно-оптических эффектов в веществе частиц водного аэрозоля. При этом впервые установлено, что ослабление фемтосекундных импульсов водным аэрозолем в диапазоне концентраций частиц 10 - 10 см° молено считать квазилинейным.

9. Проведены измерения акустическим методом размера области филаментации фокусированного лазерного субтераваттного гауссова пучка и положения нелинейного фокуса.

10. Экспериментальные исследования поперечной энергетической структуры сфокусированного фемтосекундного лазерного импульса, показали, что увеличение дефокусирующих свойств образующегося в канале лазерного пучка плазменного филамента приводит к повышению угловой расходимости световой волны после нелинейного фокуса, которая не может быть описана стандартными параметрами оптической нелинейности среды.

11. Измерено уширение спектрального контура излучения, происходящее при филаментации исходного пучка. При этом изменяется не только полуширина спектрального распределения, но и его форма, которая приобретает значительно более выраженное «синее» крыло. Впервые установлена количественная связь смещения центра тяжести спектрального контура излучения в коротковолновую область и полуширины спектрального контура с протяженностью зоны филаментации.

12. Впервые в России проведены исследования филаментации коллимированного лазерного пучка на атмосферной трассе, при этом положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе, а, следовательно, и спектральный состав суперконтинуального свечения, эффективно управляется энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

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 метеорологических состояниях. Полученные количественные экспериментальные данные о трансформации спектральных и пространственных характеристик ультракоротких лазерных импульсов при их распространении и филаментации в атмосфере позволили уточнить теоретические модели взаимодействия мощных импульсов с веществом атмосферы. Материалы, представленные в диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов №95031, № 1498, №П367, № РИ-16.0/019, №217/3, №256, №02.740.11.0083, №6512, работа поддерживалась грантами РФФИ №03-05-64228, №03-05-64431, №98-05-78009, №06-05-64799, № 06-05-96962-р-офи, №09-05-00738-а, CRDF № PRO-1390-TO-03, программами 2.9 отделения физических наук РАН, № 12 Президиума СО РАН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 8-ом Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск, 1984; 8-ом и 11-ом Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск 1986, 1992; 1-15 Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск 1994, 1995, 1997, 1999-2005, Иркутск 2001, Красноярск 2008; 3-ем Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск 1985; 19-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград 1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск 1987; XV Всесоюзн. конф. "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Одесса 1989; Российской аэрозольной конференции, Москва 1993; Topical Meeting on Atmospheric, Volume and Surface Scattering and Propogation, Florence, Italy 1991 г.; 4-ом рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск 1996; International Conf. LASER-95, Charleston 1995; Electromagnetics research Symp., Seattle 1995; International Forum on Advanced high power laser and applications AHPLA 99 Osaka, Japan, 1999; заседании 9 рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск 2002; 6th Intern. Conf. «Atomic and molecular pulsed lasers», Tomsk, 2003, 2005, 2007; International Conference «Lasers Material Interaction», St.-Petersburg, 2003; XV сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород, 2004, 2007, International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), St. Petersburg, (Invited talk) 2005, 2007, International Conference on Quantum Electronics and the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics. Toshi Center Kaikan. Tokyo. Japan 2005; VII Международной конференции «Лазерная физика и оптические технологии» 17-19 июня, Минск, Беларусь, 2008, XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн». Ростов-на-Дону, п. JIoo, 2008; International Conference "Laser Optics 2008" St. Petersburg, Russia, 2008; 5 International Symposium "Modern Problem of Laser Physics" MPLP'2008. Novosibirsk, 2008; VI Всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем» ЗАТО г.Радужный, 2008; VIII Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике, г. Москва, 2009.

Материалы диссертации достаточно полно изложены в 145 работах, в том числе 4 монографиях, 3 учебных пособиях, 46 статьях, из них 24 в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 авторских свидетельствах на изобретение.

Личный вклад автора

Диссертационная работа явилась результатом 25-летних исследований автора. Участие автора заключалось в постановке задач, разработке методик и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов.

На разных этап исследований при решении различных задач автор работал в коллективе ученых 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 и построение полуэмпирических моделей по большинству разделов диссертации проводилась совместно с A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем (ИОА СО РАН). Теоретические и численные расчеты проводились A.A. Земляновым и Ю.Э. Гейнцем. Акустическое сопровождение большинства экспериментов проводилось совместно с H.H. Бочкаревым (ИОА СО РАН). Экспериментальные исследования взаимодействия мощного излучения С02-лазера с монодисперсными и полидисперсными, однородно и неоднородно поглощающими частицами водного аэрозоля проводилась совместно с

В.А. Пого даевым, А.Е. Рождественским (ИОА СО РАН). Исследование сигнала светорассеяния при светоиндуцированном взрыве аэрозольных частиц на длине волны воздействующего излучения С02-лазера и исследования по томографической реконструкции энергетической структуры лазерного пучка по нелинейному сигналу светорассеяния проводились совместно с Ал.А. Земляновым (Сибирский физико-технический институт, г.Томск), исследования взрыва одиночных капель различного размера под действием лазерных импульсов проводились совместно с A.A. Земляновым, J1.K. Чистяковой (ИОА СО РАН) и Р. Армстронгом (университет штата Нью-Мексико, США г. Лас-Крузес). Исследования по распространению мощного излучения С02-лазера на атмосферной трассе проводилось совместно с В.А. Погодаевым. Исследования ослабляющих свойств аэрозоля для фемтосекундного лазерного импульса проводились совместно с А.Н. Степановым, Д.В. Карташевым (Институт прикладной физики РАН, г.Нижний Новгород) Ал.А. Земляновым (Сибирский физико-технический институт, г.Томск). Исследования по филаментации фемто- и пикосекундных чирпированных импульсов в атмосфере, трансформации спектральных и пространственных характеристик излучения, воздействию фемтосекундных импульсов на оптические элементы проводились совместно с А.Н. Степановым и С.Б. Бодровым (Институт прикладной физики РАН, г.Нижний Новгород), Н.С. Захаровым и C.B. Холодом (12 ЦНИИ МО РФ, г.Сергиев Посад).

Объем и структура работы

Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 241 страниц, 115 рисунков. Список литературы составляет 225 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Кабанов, Андрей Михайлович

Выводы по четвертой главе

На основе изложенных в настоящей главе результатов можно сделать следующие выводы.

Аэрозольная среда для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель.

Акустический отклик взаимодействия фемтосекундного импульса с аэрозольной средой, на порядки превышает отклик взаимодействия наносекундного импульса такой же энергетики, с той же средой. Это указывает на дополнительные энергетические потери лазерной энергии при ее распространении через аэрозольную среду для фемтосекундного импульса. Данные потери не превышают нескольких процентов от воздействующей энергии, что согласуется с измерениями прозрачности аэрозоля.

Измерения акустического сигнала в открытом объеме являются эффективным инструментом при исследовании взаимодействия лазерных импульсов фемтосекундной длительности с аэрозольными средами и при изучении распространения филамента в аэрозольных и газовых средах. Метод позволяет восстанавливать положение нелинейного фокуса и геометрические размеры филамента.

Экспериментально показано, что при фокусировке лазерного пучка увеличение начальной энергии импульса приводит к смещению нелинейного фокуса от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению начальной энергии импульса. Аэрозоль с концентрацией частиц > 103 см"3 не вносит существенных особенностей в трансформацию лазерного пучка, что позволяет использовать водный аэрозоль в качестве линейного нейтрального ослабителя для управления положением нелинейного фокуса и пространственным положением филамента.

Полученные экспериментальные данные по уширению спектра лазерного импульса при его филаментации свидетельствует о том, что величина спектральной полуширины излучения смещение спектра пропорциональны протяженности зоны филаментации.

На основе сравнения эмпирических данных по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке с результатами численных расчетов, показано, что при остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования ППТ модели фотоионизации атомов газа вместо механизма МФИ. Указанные особенности связаны с достижением высоких значений интенсивности световой волны 1014 Вт/см2) при совместном действии ее острой начальной фокусировки и керровской нелинейности.

Исследования филаментация коллимированного лазерного пучка на атмосферной трассе показали, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляется энергией и длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией. Пространственная структура коллимированного лазерного пучка после филаментации отличается от структуры остросфокусированного пучка при его филаментации. Структура пучка после филаментации в атмосфере меняется при изменении частотной модуляции лазерного импульса. Зафиксированы существенные флуктуации структуры пучка при филаментации на атмосферной трассе, при флуктуациях энергии импульса не превышающей 20%. Данные флуктуации структуры могут быть связаны с влиянием условий на трассе распространения. Экспериментально исследованы угловые и спектральные характеристики чирпированного излучения фемтосекундного лазера в зависимости от начальной энергии и длительности лазерного импульса при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации. Получена зависимость размера ореола от энергии, длительности и мощности лазерного импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных экспериментальных исследований взаимодействия мощных лазерных импульсов с газовыми и аэрозольными средами получены следующие результаты и сделаны выводы.

В части взаимодействия лазерных импульсов с однородно поглощающими частицами аэрозоля.

1. Разработана экспериментальная методика исследования взрыва малых однородно поглощающих частиц, основанная на измерениях оптических последствий взрыва частиц в канале распространения лазерного излучения, позволяющая однозначно интерпретировать результаты, полученные для ансамбля частиц на основе модельных представлений взрыва одной частицы;

2. Определен ряд основных параметров процесса взрыва (время взрыва, взрывная степень испарения, степень дробления при взрыве), и обоснована методика их определения из оптических измерений;

3. По результатам экспериментальных исследований изменения оптических характеристик аэрозоля, обусловленного взрывом частиц в поле лазерного излучения, получены значения параметров процесса взрыва малых однородно поглощающих частиц: времени взрыва - 1в, взрывной степени испарения - Хв, размер осколков - гКу и их зависимости от величины поглощенной энергии;

4. Исследованы закономерности формирования акустического сигнала от монодисперсного водного аэрозоля при воздействии лазерным импульсом. Получена зависимость амплитуды акустического отклика на фазовые переходы в частицах от концентрации частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения. Показано, что полученные зависимости содержат информацию о значениях величин порогов взрывного вскипания однородно поглощающих частиц водного аэрозоля.

5. Полученные экспериментальные данные легли в основу полуэмпирической модели взрыва малых частиц водного аэрозоля в поле лазерного импульса, устанавливающую количественную связь между основными факторами взрыва (время взрыва, степень испарения, степень дробления) и параметром скорости закачки световой энергии в частицу;

6. Показано, что для аэрозоля, состоящего из малых однородно поглощающих частиц, после взрыва наблюдается увеличение прозрачности и уменьшение рассеивающих свойств области взаимодействия, для видимого и инфракрасного излучений.

В части взаимодействия лазерных импульсов микросекундной длительности с неоднородно поглощающими частицами аэрозоля.

1. Показано, что увеличение доли крупной фракции в исходном аэрозоле приводит к замутнению канала распространения воздействующего импульса и увеличению рассеивающих свойств вторичного, образовавшегося при взрыве аэрозоля;

2. Определен ряд характерных уровней в сигнале нелинейного светорассеяния, значения которых зависят от микроструктуры аэрозоля и плотности энергии воздействующего излучения и не зависят от исходной концентрации частиц. Из полученных зависимостей определен энергетический порог взрывного разрушения для аэрозольных частиц различного размера. Показано, что сигнал нелинейного светорассеяния от взрывающегося при воздействии лазерного импульса позволяет восстанавливать энергетическую структуру лазерного пучка;

3. Исследованы режимы генерации звука жидкокапельным аэрозолем различного типа под действием лазерного излучения в свободном объеме. Показано, что при одинаковой водности, но различной микроструктуре аэрозоля, наибольшая амплитуда акустического сигнала достигается в случае мелкодисперсного аэрозоля. Разница амплитуд уменьшается при увеличении воздействующей энергии лазерного излучения;

4. Исследован акустический отклик при взрыве одиночных частиц различного размера под действием лазерного импульса. Получена зависимость пикового давления в акустическом сигнале от радиуса частиц, подвергнутых воздействию лазерных импульсов различной энергии. Зависимость имеет изгиб, связанный с достижением порога разрушения капель. Определен энергетический порог взрывного разрушения частиц при взрыве и его зависимости от размера капель и скорости их нагрева лазерным излучением. Порог возрастает с увеличением размера частиц и уменьшается с увеличением скорости нагрева;

5. Получены зависимости времени начала взрыва и длительности взрыва от скорости от размера частиц. Время взрыва с ростом а0 при а0 < ее,,'1 возрастает, а при а0 > а„! сокращается, а длительность взрыва возрастает с увеличением размера капель. Показано, что увеличение скорости нагрева капель приводит к снижению времени взрыва. На основе полученных экспериментальных данных разработана полуэмпирическая модель светоиндуцированного фазового взрыва больших неоднородно поглощающих капель.

В части распространение интенсивных лазерных импульсов на атмосферных трассах в условиях реализации нелинейно-оптических эффектов.

1. Комплексные исследования энергетического ослабления МЛИ на натурной трассе в условиях туманной дымки, тумана, мороси, дождя и механизмов взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля в контролируемых лабораторных условиях выявили закономерности изменения коэффициента ослабления излучения с X = 10,6 мкм, зависящие от микрофизических параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров пучка излучения. Анализ этих закономерностей показал, что при распространении мощного импульсного излучения С02-лазера микросекундной длительности на замутненных приземных атмосферных трассах существуют критические плотности энергии для различных оптико-метеорологических ситуаций в условиях испарения, разрушения, оптического пробоя, превышение которых приводит к нелинейному ослаблению излучения и позволил предложить модель оценки пропускания МЛИ для конкретной оптико-метеорологической ситуации в атмосфере. Апробация модели на горизонтальной приземной трассе в реальной атмосфере проведена для оптико-метеорологических ситуаций, обеспечивающих исходную оптическую толщу вплоть до т0 = 5.

2. Акустическая индикация плазменных очагов в совокупности с метеорологическими и аэрозольными измерениями позволяют установить связь между устойчивым развитием длиной лазерной искры с оптико-метеорологическим состоянием атмосферы и выработать соответствующие рекомендации для энергетических характеристик излучения, повышающих эффективность плазмообразования в атмосфере.

В части исследований распространения лазерных импульсов фемтосекундной длительности в газовых и аэрозольных средах.

1. Оптическими и акустическими исследованиями показано, что при взаимодействии мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с жидкокапельным аэрозолем из слабо поглощающих микрочастиц реализуется поглощение излучения в веществе частиц превышающее поглощение наносекундного импульса той же энергии и спектрального состава, при этом аэрозольная среда (с концентрацией частиц в диапазоне 10 -10 см") для фемтосекундного импульса, вследствие гидродинамической инерционности, выступает как линейный ослабитель;

2. Акустическими измерениями показано, что при острой фокусировке лазерного пучка увеличение начальной энергии импульса приводит к смещению нелинейного фокуса от геометрического в сторону источника пропорционально увеличению начальной мощности импульса.

3. Экспериментально получена зависимость ширины и смещения центра тяжести свечения суперконтинуума в режиме одиночной филаментации сфокусированного лазерного импульса от длины филамента.

4. На основе сравнения эмпирических данных по поперечному распределению плотности энергии в лазерном пучке с результатами численных расчетов, проведенных в рамках теоретической модели нелинейного уравнения Шредингера. показано, что при остросфокусированной геометрии распространения излучения для получения наилучшего согласия теории и эксперимента необходим специальный подбор ряда параметров численной модели. Это касается соотношения инерционной и мгновенной составляющих Керровской нелинейности среды, учета ее насыщения при высокой интенсивности излучения, а также использования ППТ модели фотоионизации атомов газа вместо механизма МФИ. Указанные особенности связаны с достижением высоких значений интенсивности световой волны 1014 Вт/см2) при совместном действии начальной фокусировки и керровской нелинейности;

5. Экспериментально исследованы угловые и спектральные характеристики чирпированного излучения фемтосекундного лазера в зависимости от начальной энергии и длительности лазерного импульса при распространении на натурной атмосферной трассе в условиях самофокусировки и филаментации. Исследования показали, что положение нелинейного фокуса и протяженность филаментированного участка пучка на трассе эффективно управляется энергией, длительностью лазерного импульса и его частотной модуляцией.

По совокупности исследований по всем разделам работ можно сделать вывод о том, что совместная регистрация оптического и акустического сигналов, формируемых при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом атмосферы, позволяет определять энергетические пороги реализуемых нелинейно-оптических эффектов, изменения поглощательных свойств аэрозоля при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, исследовать область филаментации лазерного пучка, определять концентрацию аэрозольных частиц, проводить верификацию натурных и лабораторных экспериментов.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту, заведующему лабораторией нелинейно-оптических взаимодействий ИОА СО РАН д.ф.-м.н., профессору Землянову Александру Анатольевичу за формирование области научных интересов, постановку актуальных задач по теме исследований. Благодарен главным научным сотрудникам д.ф.-м.н. В.А. Погодаеву и д.ф.-м.н. Ю.Э. Гейнцу за четвертьвековую плодотворную совместную работу, а также коллегам, сотрудникам лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий за помощь в работе и полезное обсуждение результатов. Выражаю искреннюю признательность заведующему лабораторией сверхсильных полей ИПФ РАН д.ф.-м.н. А.Н. Степанову за многолетнее и плодотворное сотрудничество при проведении экспериментальных исследований на созданном в его лаборатории фемтосекундном стенде.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Кабанов, Андрей Михайлович, 2010 год

1. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь. 1981.288 с.

2. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский A.B. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука. 1980. 180 с.

3. Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю.Д., Кузиковский A.B. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. Новосибирск: Наука. 1984. 224 с.

4. Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1989. 253 с.

5. Волковицкий O.A., Седунов Ю.С., Семенов Л.П. Распространение интенсивного лазерного излучения в облаках. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 300 с.

6. Пришивалко А.П. Оптические и тепловые поля внутри светорассеивающих частиц. Минск.: Наука и техника. 1983. 178 с.

7. Кузиковский A.B., Погодаев В.А., Хмелевцов С.С. Испарение водной капли под действием светового импульса // ИФЖ. 1971. Т. 20. С. 21-25.

8. Kafalas F., Herrmann J. Dynamics and Energetics of the Explosive Vaporization of Fog Droplets by a 10.6 mm Laser Pulse // Appl. Opt. 1973. V. 12. N 4. P. 772-775.

9. Кузиковский A.B. Динамика сферической частицы в мощном световом поле // Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1970. № 5. С. 56-59.

10. Alexander D.R., Armstrong J.G. Explosive Vaporization of Aerosol Drops Under Irradiation by C02-laser Beam // Appl. Opt. 1987. V. 26. N 3. P. 533-538.

11. Баринов В.В., Сорокин С.А. Взрывы водных капель под действием оптического излучения // Квантовая электроника. 1973. Т. 14. № 2. С. 5-11.

12. Погодаев В.А., Чистякова Л.К. Образование и поведение паровых пузырьков в капле при воздействии импульсных ОКГ // Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1973. № 12. С. 137-139.

13. Белов PI.H., ДаЦкевич И.П., Карлова Е.К. и др. Канал просветления и образование плазмы пробоя в аэрозоле под действием излучения СОг-лазера // ЖТФ. 1979. Т. 49. № 2. С. 333-338

14. Кузиковский A.B., КохановВ.И., Чистякова Л.К. Импульсное просветление искусственного водного аэрозоля излучением СОг-лазера // Квантовая электроника. 1981. Т. 8. № 10. С. 2090-2096.

15. БельцВ.А., Волковицкий O.A., Добровольский А.Ф. и др. Экспериментальное исследование воздействия импульсов COi-лазера на капельную и кристаллическую облачную среды // Квантовая электроника. 1985. Т.12. N.5. С.1027-1033.

16. Кузиковский A.B., Чистякова JI.K. Исследование эффективности лучевого просветления искусственного тумана в режимах малых тепловых потерь // В кн. Нелинейная оптика и оптоакустика атмосферы. Томск. 1988. С. 60-65.

17. Жаров В.П., Негин А.Е., Симановский Я.О. Импульсный оптико-акустический эффект в аэрозолях // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 1. С. 98-99.

18. Коротин A.B., Семенов Л.П., Свиркунов П.И. Взрыв капель жидкости при больших перегревах // Труды ИЭМ. 1975. Вып. 11(54). С. 24-33.

19. Грачев Ю.И., Стрелков Г.М. Изменение прозрачности водного аэрозоля под воздействием импульса излучения С02-лазера // Квантовая электроника. 1976. Т.3.№3. С. 621-625.

20. Никольский A.M., Нестерихин Ю.Е., Поташинский З.А. и др. О неустойчивости градиентного взрыва // ДАН СССР. 1977. Т. 236. № 6. С. 1346-1349.

21. ЗуевВ.Е., Землянов A.A. Взрывы капель под действием интенсивного лазерного излучения //Изв. вузов СССР. Сер. Физика. 1983. Т. 16. № 2. С.53-65.

22. Толстиков Ю.В. Разрушение замерших капель воды в поле излучения импульсного С02-лазера // В кн. III Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. Обнинск. 1985. Ч. IV. С. 123-126.

23. Зондирование физико-химических параметров атмосферы с использованием мощных лазеров // под ред. В.Е. Зуева. Томск. 1979. 174 с.

24. Беляев Е.Б., Годлевский А.П., Копытин Ю.Д. и др. О характере генерации акустического излучения при лазерном пробое газодисперсных сред // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8. Вып. 6. С. 333-337.

25. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Сорокин Ю.М. Оптоакустические эффекты в аэрозолях //Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 563-578.

26. Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Кабанов A.M. и др. Микрофизические характеристики и оптические свойства малого объема водного аэрозоля в поле импульсного С02-лазера // В кн. III Всесоюзное совещание по27.28,29.32,33,34.35,36,37,38