Филаментация ИК и УФ фемтосекундных импульсов излучения и ионизация газов под их действием

Филаментация ИК и УФ фемтосекундных импульсов излучения и ионизация газов под их действием

Задача усиления ультракоротких УФ лазерных импульсов в электроннопучковых KrF усилителях оказалась неразрывно связана с процессами нелинейного распространения мощных (вплоть до 10¹⁵ Вт) УФ лазерных импульсов в атмосфере, газах и проходных (прозрачных) элементах оптики. Проведенные эксперименты продемонстрировали существование нелинейного поглощения относительно низкоинтенсивного УФ излучения, а исследования многофотонной ионизации чистых газов (аргон и азот) показали, что увеличение интенсивности УФ лазерного излучения (более 10¹² Вт/см2) приводит к увеличению фотонности процесса от 3 квантов до 4-х. Такое изменение, по-видимому, связано с изменением процесса ионизации. Так при малых интенсивностях (от ~3 10¹⁰ до 2 10¹¹ Вт/см²) тремя квантами возбуждаются высоколежащие электронные состояния, затем происходит одноквантовая ионизация. При увеличении интенсивности в результате динамического эффекта Штарка происходит смещение высоколежащих уровней, и они «выходят» из 3-х квантового резонанса. В результате наблюдается нерезонансная четырех-квантовая ионизация.
Локализация лазерного излучения при распространении ультракоротких импульсов в прозрачных средах с пиковыми мощностями, превосходящими критическую, называется филаментацией и происходит в процессе динамического баланса керровской самофокусировки и дефокусировки светового пучка. Излучение, распространяющееся в нелинейном режиме, самофокусируется и, ввиду высокой интенсивности поля, образует протяженный плазменный канал с достаточно высокой концентрацией электронов. Такие плазменные каналы вызывают интерес для широкого ряда применений.
В ЛГЛ с помощью метода оптической микроскопии с временным разрешением было продемонстрировано существование в воздухе единичного или множественных коротких (до 100 микрометров) и узких (до 5 микрометров в диаметре) мини-филаментов сильно сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов (УКИ) в ИК диапазоне спектра. Длина возникающих светящихся плазменных каналов, многократно превосходила соответствующую длину перетяжки фокуса. Различными методами проведены оценки плотности плазмы, оказавшаяся довольно высокой (вплоть до 10¹⁸ см-3). Ранее возможность существования таких мини-филаментов подвергалась сомнению ведущими специалистами в данной области, поскольку предшествующие экспериментальные измерения при мягких фокусировках УКИ давали существенно большие длины и диаметры газовых (воздушных) филаментов (до нескольких десятков метров и сотен микрометров, соответственно). Теоретические численные расчеты для таких условий были проведены в Институте оптики атмосферы СО РАН. Результаты численного моделирования подтвердили существование мини-филаментов УКИ, а также дали систематическое описание фундаментальных механизмов формирования мини-филаментов при жесткой фокусировке УКИ, и их основных размерных и энергетических параметров (максимальная интенсивность и плотность плазмы в филаменте).
В лаборатории был проведен ряд работ по исследованию возможности применения мини-филаментов. Так были проведены эксперименты по генерации третьей гармоники в воздушных мини-филаментах. В частности, было показано, что максимальная эффективность преобразования сильно сфокусированного излучения ИК УКИ в излучение УФ УКИ (третья гармоника) может достигать 0.16%. Очень жесткая фокусировка (численные апертуры фокусирующей оптики – до 0.65) лазерных импульсов применялась для разработки инновационной технологии микромасштабной объемной маркировки природных алмазов (путем записи графитовых микроканалов, работа проводилась совместно с ОАО ПО «Кристалл», г.Смоленск) и импортозамещающей медицинской технологии объемной микроперфорации тканей глаза для микрохирургических задач коррекции зрения (роговица) и практически неинвазивного удаления недоброкачественных опухолей на склере (работа проводилась совместно с Учреждением Российской академии наук Центральной клинической больницей РАН). Следует отметить, что разработке практических технологий микромаркировки и микрохирургии глаза предшествовали фундаментальные исследования в области выяснения физических механизмов создания микроповреждений материалов, особенностей и параметров микрофиламентации в прозрачных средах.
В некоторых случаях неопределенность положения начала и общей протяженности плазменного канала, образующегося при филаментации лазерного излучения, становятся существенной проблемой при доставке излучения высокой интенсивности на приемник или мишень. Такие характеристики филамента зависят от оптических свойств среды и от параметров излучения (длины волны, длительности импульса, размера пучка и др.). Наиболее распространенным методом локализации лазерного излучения является фокусировка, при которой плазменное образование возникает вблизи геометрической перетяжки фокусирующей системы. В ЛГЛ выполнено исследование геометрических характеристик (длина, диаметр) филамента от фокусировки лазерного излучения представлены работе.
Другой метод управления положением и длиной плазменного канала заключается в пространственном модулировании амплитуды поля путем наложения апертурных диафрагм на образующий его световой пучок. Таким образом, резко изменяется распределение интенсивности в сечении пучка, что приводит к появлению дополнительных максимумов амплитуды поля ввиду дифракции и локальной самофокусировки излучения. В ЛГЛ было исследовано влияние треугольной, круговой и сегментированной диафрагм на начало образования, протяженность и поперечный размер филамента.
Изменение фазы падающего излучения также может влиять на положение и длину филамента. Контроль над волновым фронтом импульса проводился с помощью адаптивного зеркала и датчика волнового фронта на двух длинах волн - в УФ и ИК областях. Адаптивное зеркало имеет ряд преимуществ перед проходной оптикой, например, позволяет избежать фазовую самомодуляцию и самофокусировку в оптических материалах. Для ИК и УФ излучения увеличение амплитуды дополнительно введенных аберраций привело к значительному увеличению длины плазменного канала. Численное моделирование эксперимента привело к аналогичным результатам.
С помощью фокусировки светового пучка традиционно решается проблема повышения интенсивности излучения в заданном объеме среды, что позволяет достигнуть экстремальных значений интенсивности, близких по порядку к внутриатомной величине при использовании ультракороткого лазерного излучения, однако основным препятствием фокусировки такого излучения и увеличения интенсивности в атмосферном воздухе является плазмообразование. Его негативное влияние на фокусировку лазерного излучение можно снизить с помощью понижения давления. При исследовании задачи увеличения интенсивности лазерного излучения на основе численного моделирования и опытных данных установлено, что при филаментации в разряженном воздухе снижается скорость плазмообразования, что уменьшает концентрацию свободных электронов в среде, понижает блокирующее действие плазмы на рост интенсивности пучка при его жесткой фокусировке и позволяет достигать более высоких значений интенсивности в области фокальной перетяжки.

1. A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, Yu.N. Ponomarev, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, B.A. Tikhomirov, A.A. Tikhov, V.D. Zvorykin, Absorption and ionization of molecular nitrogen by UV femtosecond laser pulses // Optics Communications. 282, p.45 (2009)
2. А.А.Ионин, С.И.Кудряшов, С.В.Макаров, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын, Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе // Письма в ЖЭТФ, 90, 471-474 (2009).
3. Е.С. Сунчугашева, Ю.Э. Гейнц, А.А. Землянов, А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, Д.В. Синицын, Л.В. Селезнев, Особенности филаментации остросфокусированных ультракоротких лазерных импульсов в воздухе // ЖЭТФ, 138 822-829 (2010).
4. Е.С. Сунчугашева, А.А. Ионин, Ю.Э. Гейнц, А.А. Землянов, С.И. Кудряшов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Особенности фокусированного распространения мощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности в воздухе при пониженном давлении // Оптика атмосферы и океана, №1, 18-25 (2012).
5. A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, E.S. Sunchugasheva, V.Yu. Fedorov,Third harmonic generation by ultrashort laser pulses tightly focused in air // Laser Physics, 21,500 (2011)
6. A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, K.E. Mikhin, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, Bulk femtosecond laser marking of natural diamonds // Laser Physics, 20, 8, 1778-1782 (2010).
7. A.A. Alekhin, A.A. Ionin, S.E. Kozhushko, I.M. Kourylyova, S.I. Kudryashov, K.K. Kuz’min, V.G. Likhvansteva, M.V. Samoylov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, and S.D. Zakharov, In vitro femtosecond laser subsurface micro-disruption inside human cornea and pre-cleared sclera // Laser Physics Lett., 7, 463-466 (2010).
8. А.А Дергачев, А.А Ионин, В.П. Кандидов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Е.С. Сунчугашева, С.А. Шленов, Филаментация фемтосекундных ИК и УФ импульсов при фокусировке в воздухе // Квантовая электроника, 29-36 (2013).
9. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Ионин А.А., Кудряшов С.И., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Сунчугашева Е.С. Самофокусировка профилированных световых пучков ультракороткого лазерного излучения в воздухе. ЖЭТФ, 228-237 (2013).
10. A.A. Ionin, N.G. Iroshnikov, O. Kosareva, A. Larichev, D. Mokrousova, N.A. Panov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, E.S. Sunchugasheva, Filamentation of femtosecond laser pulses governed by variable wavefront distortions via a deformable mirror // JOSAB, 2257 (2013).
11. А.А. Ionin, L. V. Seleznev and E. S. Sunchugasheva, Сontrolling plasma channels through ultrashort laser pulse filamentation // Proc. of SPIE, 8898, 88980Z-1 (2013)
12. A.A.Ionin, S.I.Kudryashov, D.V.Mokrousova, L.V.Seleznev, D.V.Sinitsyn, E.S.Sunchugasheva, Plasma channels under filamentation of infrared and ultraviolet double femtosecond laser pulses – http://arxiv.org/abs/1309.3105 (2013)