A nagy intenzitású lézersugár fázistranszferen áteshet

Ábra. 1. Kezdetben a lézerimpulzus szerkezete olyan, hogy a fény maximális intenzitása a központi területre esik. Balra. egy vázlatos diagram, amely bemutatja, hogy a gerenda sugárzásának intenzitása a tengelyétől való távolságtól függően változik-e. A központban. Mivel a levegő törésmutatója növekvő sugárzási intenzitással (Kerr-effektus) növekszik, a levegő közeg a lézernyalábhoz viszonyítva viselkedik, mint gyűjtőlencse, és ennek hatására fókuszál (önfókuszálás). Ennek a fókuszálásnak köszönhetően a sugárzás intenzitása elegendő lesz a környezeti levegő ionizálásához és plazma kialakításához a környező közeg korlátozott térfogatában. Jobbra. A plazma törésmutatója kisebb, mint a levegő. Ennek eredményeképpen a plazma szerepet játszik a lézersugárzás szétszóródási objektívjeként. Ábra az americanscientist.org-ból

A fázisátalakulási jelenséget rendszerint egy olyan anyag vagy tulajdonság paramétereinek változásával azonosítják, amely atomok, elektronok, magok vagy más, nem nulla tömegű részecskékből áll. A spanyol elméleti fizikusok felfedezték, hogy a nagy intenzitású lézernyalábot létrehozó fotonok (részecskék, amelyek nulla pihenőtömeggel rendelkeznek) szintén átmeneti fázisba kerülhetnek. Megmutatták, hogy egy bizonyos közegben (például a levegőben) mozgó lézersugár képes radikálisan megváltoztatni belső szerkezetét a lézer növekvő intenzitásával, amely generálja.

Azonnal megkötjük, hogy nem minden lézer által sugárzott sugár áthaladhat az egyik fázisról a másikra. Ehhez a fényimpulzust előállító készülék teljesítményének nagyon magasnak kell lennie - meg kell haladnia egy bizonyos küszöbértéket, amelyet a tápközeg jellemzői és a fény hullámhossza határoz meg. Például a 800 nm hullámhosszú sugárzásnak a levegőben terjedő sugárzása esetén ez a küszöb kb. 3 GW (1 gigawatt = 10 9 W). Ilyen körülmények között a gerenda olyan nagy intenzitású, hogy gyakorlatilag megszűnik diffrakciónak kitéve, és koncentrált maradhat, és több tucat, sőt akár több száz méter is eltérhet.

A lézersugár nem diffrakciós viselkedését a Kerr-hatás magyarázza, amely a fény terjedésének törésmutatójában változik. Megállapítást nyert, hogy a látható sugárzás mozgása előtti és utána megjelenő, a médium refrakciós indexe közötti különbség bizonyos arányossági együtthatóval megegyezik az intenzitásának termékeivel. A legtöbb anyag esetében az arányossági együttható nagyobb mint nulla. Ez azt jelenti, hogy a fény terjedése a közeg törésmutatójának növekedését okozza. De ez a különbség kimutatható, a fény intenzitásának nagyon nagynak kell lennie.

Itt egy szemléltető példa. Levegő esetén az arányossági tényező 3 × 10 -19 cm 2 / W. Az intenzitás a napfény, szerint (PDF, 355 KB) a Meteorológiai Világszervezet, egyenlő 120 W / m 2 Ennélfogva, a napsugárzást növekedést okoz törésmutatójú levegő elhanyagolható érték - 3,6 · 10 -20%. Ellenére azonban az ilyen nagyon-nagyon kis korrekció, hogy a Kerr-effektus nem teszi lehetővé a lézersugár olyan intenzitással felett a fent említett küszöb diverge.

Hogyan segít a Kerr-hatás a lézerimpulzusban? Általában a lézersugár tengelyén lévő fény intenzitása maximális (1. ábra, balra), és szimmetrikusan csökken a határokhoz képest. Tegyük fel, hogy a lézersugár a levegőben mozog. Ezután a Kerr-effektus szerint a levegő törésmutatója a gerenda közepén nagyobb lesz, mint az éleknél. Ennek az optikai inhomogenitásnak köszönhetően a levegő közeg formálisan lézersugárzásként viselkedik gyűjtőlencséként: a gerenda vastagsága csökken (1. ábra, középen), és a fényintenzitás nő. Vagyis a gerenda, ahogy az volt, összpontosítja magát - az önfókuszálás megtörténik.

Első pillantásra úgy tűnik, hogy a gerenda képes a nulla vastagságba tömörülni. Ha azonban a fény intenzitása elér egy bizonyos értéket, többfoton ionizáció következik be. A lézersugárzás fotonjai leüti az elektronokat a légmolekulákból (nitrogén és oxigén molekulák). A felszabadult elektronok plazmát alkotnak. A levegőhöz képest a plazmának kisebb törésmutatója van, ezért formálisan úgy viselkedik, mint egy szóródó lencsék, és elkezdi a fúvókusz fokozódását, csökkentve annak intenzitását (1. Miután kihagyta a területet a plazmával, a sugár folytatja mozgását, és a helyzet megismétlődik.

Ennek eredményeképpen az önfókuszálás és a defocusálás folyamata közötti egyensúly kiegyenlíti a gerendát tíz és több száz méter közötti távolságokat (2.

Ábra. 2. Az önfókuszálás és a fókuszálás folyamata lehetővé teszi, hogy a lézersugár, eltérések nélkül, tíz és több száz méter távolságot lefedje. A gerendát elsősorban a speciálisan létrehozott szálak (vagy szálak) - szálak (szálak) révén terjesztik a környezetbe; lásd a magyarázatot a szövegben. Alkalmazott a weboldalról: americanscientist.org és az áttekintésből: A. Couairon, A. Mysyrowicz. Femtoszekundum filamentáció átlátszó médiában a fizikai jelentésekben

Meg kell jegyezni, hogy a nagy intenzitású lézersugárnak rövid időtartamúnak is kell lennie - körülbelül egy femtosecond (10-15 másodperc). Ellenkező esetben a folyadék átvitelének többfoton ionizációja helyett kaszkádos ionizáció alakulhat ki: a felszabadult elektronok koncentrációja olyan lesz, hogy elkezd ionizálni a molekulákat messze a tompított lézersugártól. Ez az önkifejezés és a defókuszálás közötti egyensúlyhiányhoz vezet. A gerenda megszűnik, és gyorsan eltér egymástól.

Ábra. 3. A terawatt teljesítmény lézer által létrehozott, 800 nm hullámhosszú levegőben mozgó lézerimpulzus filamentálásának fényképe. A sugárzási intenzitás eloszlása ​​a lézersugár keresztmetszetében (profil) látható. Fekete területek. amelyek a fény intenzitásának legmagasabb értékei, a szálak. Ábra G. Mechain et al. A levegőben létrehozott plazmafonalak tartománya több terawattos femtosecond lézerrel a Optics Communications

A jelen pillanatban, amikor nagyon erős (terawatt, 10 12 W) lézer telepítések jelentek meg, a filamentáció jelensége az elméleti és kísérleti optika egyik legaktívabban tanulmányozott.

Hogyan kezeljük a Kerr-effektus "új" törvényét, hogy egy sugár nem-diffrakciós terjedését egy közegben kezeljük, anélkül, hogy a plazma befolyását vonzuk? A magyarázatot könnyű megadni, ha a törésmutató függvényét a fényintenzitásra építjük (4.

Ábra. 4. A gáznemű közeg törésmutatójában (szobahőmérséklet, 1 atmoszféra nyomás) a lézersugárzás (TW / cm 2) intenzitásának függvényében változik, amely át van osztva. A függőleges szaggatott vonalak azt az intenzitási értéket mutatják, amelynél az adott gáz törésmutatójának változása negatívvá válik. A vörös dot-dash-görbe megfelel a nitrogénnek, kéktől az oxigénig, zöldtől az argonig, és fekete a levegőig. A cikk képe V. Loriot et al. A főbb légkomponensek nagyszámú Kerr-törésmutatójának mérése a Optics Express folyóiratban

A grafikonból látható, hogy ha az intenzitás meghatározott értéket ér el egy adott közeg számára, akkor a törésmutató növekedése negatívvá válik. Például a levegő esetében 26 TW / cm 2 van. Ekkor a közeg kezd el úgy viselkedni, mint egy szóródó lencsék, megszünteti a gerendát és csökkenti annak intenzitását. Ezután a kép megismétlődik. Kiderül, hogy az önfókuszálás és a defokusálás folyamata a megújult nemlineáris Kerr-effektus keretében magyarázható.

Francia munkatársaik kísérleti kutatásai alapján a spanyol elméleti fizikusok úgy döntöttek, hogy frissen vizsgálják a nagy intenzitású lézersugár terjedését, különösen a filamentációs folyamatot. Ők szubsztituált az egyenletben (nemlineáris Schrödinger-egyenlet), amely leírja a fény terjedési hullámokat egy nemlineáris közegben, egy új kapcsolat a törésmutató a Kerr-effektus, majd numerikusan megoldható ez külön oxigén és a légszennyezés.

Kiderült, hogy az intenzitásértéktől függően az izzítási folyamatnak két fázisa van. Míg az intenzitás a lézersugár nem keresztbe valamilyen kritikus értéket, minden egyes szál egy lánc lokalizált térben gömb alakú területeken (buborékok) a maximális intenzitás a saját központokban sima nullára csökkenhet az éleknél (ábra. 5). Ezek a régiók a lézersugár profiljában (a mozgásának irányára merőleges síkban) egy rendes rendezett rácsot képeznek.

Ábra. 5. növelése a lézer intenzitás provokálja fázisátmenet (átrendezését belső szerkezete) - származó képező megrendelt rács láncok fermionikus buborékok lokalizálódnak a gömb alakú térben régió maximális intenzitással azok központok és fokozatosan nullára csökkenhet a széleinél, hogy a amelynek során a fermionos buborékok egy vastag izzószálba merülnek össze. Az oldalsó beillesztések a lézersugaras profil intenzitáseloszlását mutatják: a piros területek a maximális intenzitásnak felelnek meg, a kék részek a nulla értéknek felelnek meg. Ábra a tárgyalt cikkből a Phys. Rev. Lett