Самофокусировка - Википедия - Self-focusing

Свет, проходящий через линза с градиентным индексом фокусируется как в выпуклой линзе. При самофокусировке градиент показателя преломления создается самим светом.

Самофокусировка это нелинейная оптика процесс, вызванный изменением показатель преломления материалов, подвергающихся интенсивному электромагнитное излучение.^[1][2] Среда, показатель преломления которой увеличивается с увеличением электрическое поле Интенсивность действует как фокусирующая линза для электромагнитной волны, характеризуемой начальным поперечным градиентом интенсивности, как в лазер луч.^[3] Пиковая интенсивность области самофокусировки продолжает увеличиваться по мере прохождения волны через среду, пока эффекты расфокусировки или повреждения среды не прервут этот процесс. Самофокусировка света была открыта Гурген Аскарян.

Самофокусировка часто наблюдается, когда излучение, генерируемое фемтосекундными лазерами, распространяется через множество твердых тел, жидкостей и газов. В зависимости от типа материала и интенсивности излучения несколько механизмов вызывают изменения показателя преломления, которые приводят к самофокусировке: основными случаями являются самофокусировка, вызванная Керром, и самофокусировка плазмы.

Керровская самофокусировка

Самофокусировка, вызванная Керром, была впервые предсказана в 1960-х годах.^[4][5][6] и экспериментально подтверждено изучением взаимодействия рубиновые лазеры со стаканами и жидкостями.^[7][8] Его происхождение лежит в оптический эффект Керра, нелинейный процесс, который возникает в средах, подверженных интенсивному электромагнитному излучению, и который вызывает изменение показателя преломления ${ displaystyle n}$ как описано формулой ${ displaystyle n = n_ {0} + n_ {2} I}$, куда п₀ и п₂ - линейная и нелинейная составляющие показателя преломления, а я это интенсивность излучения. С п₂ является положительным в большинстве материалов, показатель преломления становится больше в областях, где интенсивность выше, обычно в центре луча, создавая профиль фокусирующей плотности, который потенциально приводит к схлопыванию луча на самом себе.^[9][10] Было обнаружено, что самофокусирующиеся лучи естественным образом превращаются в профиль Таунса.^[5] независимо от их первоначальной формы.^[11]

Самофокусировка возникает, если излучение мощность больше критической мощности^[12]

${ displaystyle P_ {cr} = alpha { frac { lambda ^ {2}} {4 pi n_ {0} n_ {2}}}}$,

где λ - излучение длина волны в вакууме, а α - константа, которая зависит от начального пространственного распределения пучка. Хотя общего аналитического выражения для α не существует, его значение было получено численно для многих профилей пучка.^[12] Нижний предел α ≈ 1,86225, что соответствует балкам Таунса, тогда как для Гауссов пучок α ≈ 1,8962.

Для воздуха, n₀ ≈ 1, п₂ ≈ 4×10⁻²³ м²/ W для λ = 800 нм,^[13] а критическая мощность P_cr ≈ 2,4 ГВт, что соответствует энергии около 0,3 мДж для длительности импульса 100 фс. Для кремнезема, n₀ ≈ 1,453, п₂ ≈ 2.4×10⁻²⁰ м²/ Вт,^[14]а критическая мощность P_cr ≈ 2,8 МВт.

Самофокусировка, вызванная Керром, имеет решающее значение для многих приложений в лазерной физике как ключевой ингредиент, так и как ограничивающий фактор. Например, техника усиление чирпированных импульсов был разработан для преодоления нелинейностей и повреждений оптических компонентов, которые самофокусировка может вызвать при усилении фемтосекундных лазерных импульсов. С другой стороны, самофокусировка - главный механизм, лежащий в основе Блокировка мод керровской линзы, лазерная филаментация в прозрачных средах,^[15][16] самосжатие ультракороткие лазерные импульсы,^[17] параметрическая генерация,^[18] и многие области взаимодействия лазера с веществом в целом.

Самофокусировка и расфокусировка в среде усиления

Келли^[6] предсказал, что однородно расширенный двухуровневые атомы могут фокусировать или расфокусировать свет, когда несущая частота ${ displaystyle omega}$ расстроен вниз или вверх по центру линии усиления ${ displaystyle omega _ {0}}$. Распространение лазерного импульса с медленно меняющейся огибающей ${ Displaystyle Е ({ vec { mathbf {r}}}, т)}$ в усиливающей среде регулируется нелинейным уравнением Шредингера-Франца-Нодвика.^[19]

Когда ${ displaystyle omega}$ расстроен вниз или вверх от ${ displaystyle omega _ {0}}$ показатель преломления изменяется. «Красная» расстройка приводит к увеличению показателя преломления при насыщении резонансного перехода, т. Е. К самофокусировке, в то время как при «синей» расстройке излучение расфокусировано во время насыщения:

${ displaystyle { frac { partial {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}} { partial z}} + { frac {1} {c}} { frac { partial {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}} { partial t}} + { frac {i} {2k}} nabla _ { bot} ^ { 2} E ({ vec { mathbf {r}}}, t) = + ikn_ {2} | E ({ vec { mathbf {r}}}, t) | ^ {2} {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)} +}$

${ displaystyle { frac { sigma N ({ vec { mathbf {r}}}, t)} {2}} [1 + я ( omega _ {0} - omega) T_ {2}] {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}, nabla _ { bot} ^ {2} = { frac { partial ^ {2}} {{ partial x} ^ {2}}} + { frac { partial ^ {2}} {{ partial y} ^ {2}}},}$

${ displaystyle { frac { partial {{N} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}} { partial t}} = - { frac {{N_ {0}} ({ vec { mathbf {r}}})} {T_ {1}}} - sigma ( omega) N ({ vec { mathbf {r}}}, t) | E ({ vec { mathbf {r}}}, t) | ^ {2},}$

куда ${ displaystyle sigma ( omega) = { frac { sigma _ {0}} {1 + T_ {2} ^ {2} ( omega _ {0} - omega) ^ {2}}}}$ - сечение вынужденного излучения, ${ displaystyle {N_ {0}} ({ vec { mathbf {r}}})}$ - плотность инверсии населенности перед приходом импульса, ${ displaystyle T_ {1}}$ и ${ displaystyle T_ {2}}$ - продольные и поперечные времена жизни двухуровневой среды и ${ displaystyle z}$ ось распространения.

Филаментация

Лазерный луч с плавным пространственным профилем ${ displaystyle {E} ({ vec { mathbf {r}}}, т)}$ подвержена модуляционной нестабильности. Небольшие возмущения, вызванные шероховатостями и дефектами среды, усиливаются при распространении. Этот эффект получил название неустойчивости Беспалова-Таланова. ^[20]. В рамках нелинейного уравнения Шредингера: ${ displaystyle { frac { partial {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}} { partial z}} + { frac {1} {c}} { frac { partial {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}} { partial t}} + { frac {i} {2k}} nabla _ { bot} ^ { 2} E ({ vec { mathbf {r}}}, t) = + ikn_ {2} | E ({ vec { mathbf {r}}}, t) | ^ {2} {{E} ({ vec { mathbf {r}}}, t)}}$.

Скорость нарастания возмущения или нарастания неустойчивости ${ displaystyle h}$ связано с размером нити ${ displaystyle kappa ^ {- 1}}$ с помощью простого уравнения:${ displaystyle h ^ {2} = kappa ^ {2} (n_ {2} | E ({ vec { mathbf {r}}}, t) | ^ {2} - kappa ^ {2} / 4k ^ {2})}$. Обобщение этой связи между приращениями Беспалова-Таланова и размером волокна в усиливающей среде в зависимости от линейного усиления ${ Displaystyle { sigma N ({ vec { mathbf {r}}}, т)}}$ и расстройка ${ displaystyle delta omega = omega _ {0} - omega}$ был реализован в ^[19].

Самофокусировка плазмы

Достижения в лазерной технологии недавно позволили наблюдать самофокусировку при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с плазмой.^[21][22] Самофокусировка в плазме может происходить за счет тепловых, релятивистских и пондеромоторных эффектов.^[23] Термическая самофокусировка возникает из-за столкновительного нагрева плазмы, подвергшейся воздействию электромагнитного излучения: повышение температуры вызывает гидродинамическое расширение, которое приводит к увеличению показателя преломления и дальнейшему нагреву.^[24]

Релятивистская самофокусировка вызвана увеличением массы электронов, движущихся со скоростью, приближающейся к скорость света, который изменяет показатель преломления плазмы п_rel согласно уравнению

${ displaystyle n_ {rel} = { sqrt {1 - { frac { omega _ {p} ^ {2}} { omega ^ {2}}}}}}$,

где ω - излучение угловая частота и ω_п релятивистски исправленный плазменная частота ${ displaystyle omega _ {p} = { sqrt { frac {ne ^ {2}} { gamma m epsilon _ {0}}}}}$.^[25][26]

Пондеромоторная самофокусировка вызвана пондеромоторная сила, который отталкивает электроны от области, где лазерный луч более интенсивен, тем самым увеличивая показатель преломления и вызывая эффект фокусировки.^[27][28][29]

Оценка вклада и взаимодействия этих процессов - сложная задача.^[30] но эталонным порогом самофокусировки плазмы является релятивистская критическая мощность^[2][31]

${ displaystyle P_ {cr} = { frac {m_ {e} ^ {2} c ^ {5} omega ^ {2}} {e ^ {2} omega _ {p} ^ {2}}} simeq 17 { bigg (} { frac { omega} { omega _ {p}}} { bigg)} ^ {2} { textrm {GW}}}$,

куда м_е это масса электрона, c скорость света, ω угловая частота излучения, е заряд электрона и ω_п плазменная частота. Для плотности электронов 10¹⁹ см⁻³ и излучения на длине волны 800 нм критическая мощность около 3 ТВт. Такие значения достижимы с помощью современных лазеров, которые могут превышать мощность ПВ. Например, лазер, дающий импульсы 50 фс с энергией 1 Дж, имеет пиковую мощность 20 ТВт.

Самофокусировка в плазме может уравновесить естественную дифракцию и направить лазерный луч. Такой эффект полезен для многих приложений, так как помогает увеличить продолжительность взаимодействия между лазером и средой. Это очень важно, например, при ускорении частиц с помощью лазера,^[32] схемы лазерного синтеза^[33] и генерация высоких гармоник.^[34]

Накопленная самофокусировка

Самофокусировка может быть вызвана постоянным изменением показателя преломления в результате многоимпульсной экспозиции. Этот эффект наблюдался в очках, которые увеличивают показатель преломления при воздействии ультрафиолетового лазерного излучения.^[35] Накопленная самофокусировка проявляется скорее как волноводный, чем как линзирующий эффект. Масштаб активно образующихся нитей пучка зависит от дозы облучения. Эволюция каждой нити накала луча к сингулярности ограничивается максимальным индуцированным изменением показателя преломления или стойкостью стекла к лазерным повреждениям.

Самофокусировка в мягком веществе и полимерных системах

Самофокусировка также может наблюдаться в ряде систем мягкой материи, таких как растворы полимеров и частиц, а также фотополимеры.^[36] Самофокусировка наблюдалась в фотополимерных системах с микромасштабными лазерными лучами либо УФ^[37] или видимый свет.^[38] Позже было обнаружено самозахват некогерентного света.^[39] Самофокусировка также может наблюдаться в пучках с широкой площадью, где пучок подвергается филаментации, или Нестабильность модуляции, самопроизвольное разделение на множество микромасштабных самофокусированных лучей, или нити.^{[40][41][39][42][43]} Баланс самофокусировки и естественности расходимость луча приводит к тому, что лучи распространяются без расходимости. Самофокусировка в фотополимеризуемых средах возможна благодаря показателю преломления, зависящему от фотореакции,^[37] и тот факт, что показатель преломления в полимерах пропорционален молекулярной массе и степени сшивки^[44] которая увеличивается с течением времени фотополимеризации.

Смотрите также

• Список статей по плазме (физике)
• Распространение нити

Рекомендации

Библиография