Fig. 1. Inițial, structura impulsului laser este astfel încât maximul intensității luminii în regiunea centrală. La stânga. o diagramă schematică care arată modul în care intensitatea radiației într-un fascicul variază cu distanța de la axa sa. În centru. deoarece indicele de refracție al aerului crește cu intensitatea radiației (efect Kerr), mediul aerian începe să se comporte în raport cu fasciculul laser ca o lentilă convergentă, determinându-l să se concentreze (auto-focalizare). Din cauza acestui accent intensitatea radiației devine suficientă pentru a ioniza aerul înconjurător și formarea plasmei într-un mediu înconjurător volum limitat. La dreapta. Indicele de refracție al plasmei este mai mic decât cel al aerului. Ca rezultat, plasma joacă rolul de lentilă împrăștiată pentru radiația laser. Figura de la americanscientist.org
Fenomenul de tranziție de fază este de obicei identificat cu o schimbare a unui număr de proprietăți sau parametri ai unei substanțe - adică un set de atomi, electroni, nuclei sau alte particule cu o masă nonzero. Fizicienii teoreticieni din Spania au descoperit că un set de fotoni (particule cu masa de odihnă zero) care formează un fascicul laser cu intensitate ridicată poate, de asemenea, să treacă printr-o tranziție de fază. Ei au arătat că un fascicul laser care se mișcă într-un mediu (de exemplu, în aer) este capabil să schimbe radical structura sa internă cu intensitatea crescândă a laserului care o generează.
Nu fiecare început că fascicul emis de un laser, poate trece de la o fază la alta. Pentru acest dispozitiv de putere generează un puls de lumină trebuie să fie foarte ridicat - trebuie să depășească un anumit prag, determinat de caracteristicile mediului și lungimea de undă a luminii. De exemplu, pentru radiația inmultire în aer de 800 nm, acest prag - aproximativ 3 GW (GW 1 = 10 9 W). În aceste condiții, fasciculul are intensitate mare, astfel încât, practic, încetează să mai fie supuse difracției și poate rămâne concentrat și nu divergentă pe mai multe zeci sau chiar sute de metri.
Comportamentul nedistructiv al fasciculului laser este explicat prin efectul Kerr, o modificare a indicelui de refracție al mediului prin care lumina se propagă. Se stabilește că diferența dintre indicele de refracție a mediului înainte de mișcarea radiației vizibile prin acesta și după el este egală cu produsul intensității sale prin un anumit coeficient de proporționalitate. Pentru majoritatea substanțelor, coeficientul de proporționalitate este mai mare decât zero. Aceasta înseamnă că propagarea luminii determină o creștere a indicelui de refracție al mediului. Dar că diferența care rezultă poate fi detectată, intensitatea luminii trebuie să fie foarte mare.
Iată un exemplu ilustrativ. Pentru aer, factorul de proporționalitate este de 3 × 10 -19 cm 2 / W. Intensitatea luminii solare, în conformitate cu (PDF, 355 KB) al Organizației Meteorologice Mondiale, egală cu 120 W / m 2. Prin urmare, lumina de la soare determină o creștere a indicelui de refracție al aerului la o valoare neglijabilă - 3.6 · 10 -20%. Cu toate acestea, în ciuda astfel de corecție foarte, foarte mici, că efectul Kerr nu permite un fascicul laser cu o intensitate deasupra diverg pragul menționat mai sus.
Cum ajută efectul Kerr pulsul laser? De obicei, intensitatea luminii pe axa fasciculului laser are o maximă (Fig. 1, stânga) și simetric redus la frontiere. Să presupunem că fasciculul laser se mișcă în aer. Apoi, în funcție de efectul Kerr, indicele de refracție al aerului în mijlocul grinzii va fi mai mare decât la margini. Deoarece acest mediu optic de aer neomogenității se comportă în mod oficial cu privire la radiația laser ca lentilă de colectare: o grosime fascicul este redusă (Fig 1, centrul.), Și crește intensitatea luminii. Adică, fasciculul se concentrează pe sine însuși - auto-focalizarea are loc.
La prima vedere, se pare că fasciculul este capabil să se prăbușească la zero grosime. Cu toate acestea, atunci când intensitatea luminii atinge o anumită valoare, are loc o ionizare multiphoton. Fotonii radiațiilor laser distrug electronii din moleculele de aer (molecule de azot și oxigen). Electronii eliberați formează o plasmă. Comparativ cu plasma de aer are un indice de refracție mai mic, astfel încât se comportă ca un fascicul negativ oficial lentilă defocalizare și începe să scadă intensitatea (Fig. 1, dreapta). Făcând o zonă cu plasmă, raza își continuă mișcarea și situația se repetă.
Drept rezultat, echilibrarea între procesele de autofocalizare și defocalizare, fasciculul, fără divergențe, depășește distanțele de zeci și sute de metri (figura 2).
Fig. 2. Procesele de auto-focalizare și de defocalizare permit fasciculului laser, fără a se diferenția, să acopere distanțele de zeci și sute de metri. Grinzile sunt distribuite în principal în mediul înconjurător prin filete (sau filamente) special create - filamente (filament); consultați explicațiile din text. Adaptat de pe site-ul americanscientist.org și din recenzie: A. Couairon, A. Mysyrowicz. Femtosecond de filamentare în medii transparente în rapoartele de fizică
Trebuie remarcat faptul că, în plus față de puls laser de mare intensitate ar trebui să aibă o durată mai mică - de ordinul femtosecunde (10 -15 secunde). In caz contrar, în loc de ionizarea multiphoton a mediului prin care trece, se poate produce ionizare în cascadă: concentrația electronilor eliberați devine astfel încât să înceapă să ioniza moleculele chiar departe de fasciculul laser transmis. Aceasta duce la un dezechilibru între auto-focalizare și defocalizare. Radioul nu mai este focalizat și se abate rapid.
Fig. 3. Fotografie a procesului de filamentare a unui puls laser care se mișcă în aer cu o lungime de undă de 800 nm, creată de un laser de putere terawatt. Este prezentată distribuția intensității radiației în secțiunea transversală (profilul) fasciculului laser. Zonele neagră. care corespund celor mai mari valori ale intensității luminii, sunt filamente. Figura din articolul G. Mechain și colab. Gama de filamente plastice create în aer printr-un laser multi-terawatt femtosecond din revista Optics Communications
De altfel, în prezent, când au existat foarte puternice (terawatt 10 12 W) Sistemele cu laser, fenomen filamentarea a devenit una dintre cele mai active studii în optica teoretice și experimentale.
Cum de acum, pornind de la legea "nouă" pentru efectul Kerr, să tratăm propagarea nedifractuală a unei raze într-un mediu fără a atrage influența plasmei? Explicația este ușor de dat dacă construim dependența indexului de refracție de intensitatea luminii (figura 4).
Fig. 4. Modificarea indicelui de refracție al mediului gazos (temperatura camerei, presiune 1 atmosferă), în funcție de intensitatea radiației laser (TW / cm2), care este distribuită prin aceasta. Liniile punctate verticale arată valorile intensității pentru care modificarea indicelui de refracție al unui gaz dat devine negativă. Curba punct-roșie roșie corespunde cu azot, albastru până la oxigen, verde până la argon și solid negru în aer. Imagine din articolul V. Loriot și colab. Măsurarea indicelui de refracție Kerr de înaltă ordine a principalelor componente de aer din jurnalul Optics Express
Din grafic se poate observa că atunci când intensitatea atinge o anumită valoare pentru un mediu dat, creșterea incrementului la indicele de refracție devine negativă. De exemplu, pentru aer este de 26 TW / cm2. În acest moment, mediul începe să se comporte ca o lentilă împrăștiată, defocide fasciculul și reduce intensitatea acestuia. Atunci imaginea se repetă. Se pare că procesele de auto-focalizare și defocalizare pot fi explicate în cadrul efectului reînnoit al Kerr neliniar.
Pe baza investigațiilor experimentale de omologii lor francezi, fizicienii teoretice spaniole au decis să ia o privire proaspătă la răspândirea fascicul laser de mare intensitate, în special cu privire la procesul de filamentarea. Ei au înlocuit în ecuația (ecuația neliniară Schrodinger) care descrie propagarea undelor de lumină într-un mediu neliniar, o nouă relație cu indicele de refracție în efectul Kerr și apoi rezolvată numeric separat pentru oxigen și poluarea aerului.
Sa dovedit că, în funcție de intensitatea valorilor filamentarea proces are două faze. În timp ce intensitatea fasciculului laser nu este traversat o anumită valoare critică, fiecare filament este un lanț localizat în spațiu arii sferice (bule) cu o intensitate maximă în centrele lor cu o scădere ușoară la zero, la margini (fig. 5). Aceste zone formează profilul razei laser (în planul perpendicular pe direcția de mișcare sale) aranjament regulat zăbrele.
Fig. 5. Creșterea intensității laserului în ea provoacă o tranziție de fază (rearanjare a structurii sale interioare) - de la formarea unei catene zăbrele ordonate bule fermionice sunt localizate în regiunea spațiului sferic, cu o intensitate maximă la centrele lor și cu scăderea treptată la zero la marginile acesteia la fază de picături de lichid în care bulele fermionice se coaguleze într-un singur fir-filament gros. Partea Inserții arată distribuția intensității în profilul fasciculului laser: zone roșii corespund intensitățile maxime de albastru - zero. Figura din articolul discutat în Phys. Rev. Leit
Trimiteți-le prietenilor: