Главная » 2014»Сентябрь»19 » Скачать Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля. Апексимов, Дмитрий Владимирович бесплатно
07:32
Скачать Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля. Апексимов, Дмитрий Владимирович бесплатно
Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля
Диссертация
Автор: Апексимов, Дмитрий Владимирович
Название: Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля
Справка: Апексимов, Дмитрий Владимирович. Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.05 / Апексимов Дмитрий Владимирович; [Место защиты: Ин-т оптики атмосферы СО РАН] Томск, 2008 118 c. : 61 08-1/173
Объем: 118 стр.
Информация: Томск, 2008
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЁТА РАССЕЯНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ИЗОЛИРОВАННОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ МАЛОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
11 Метод спектрального описания рассеяния (Нестационарное рассеяние
12 Метод неоднородного волнового уравнения в задаче светорассеяния Собственные резонансы диэлектрических сферических микрочастиц
Краткие выводы по главе 1
ГЛАВА 2 СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВНУТРИ ПРОЗРАЧНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ РАССЕЯНИИ НА НЕЙ ОДИНОЧНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
21 Внутреннее оптическое поле прозрачной сферической частицы при воздействии на неё одиночного фемтосекундного лазерного импульса
22 Особенности формирования внутреннего оптического поля прозрачной сферической частицы при воздействии на неё цуга фемтосекундных лазерных импульсов
23 Частотно-импульсный режим возбуждения прозрачной сферической микрочастицы чирпированным ультракоротким лазерным излучением 50 24 Факторы эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния одиночного и последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на прозрачной сферической частице
Краткие выводы по главе 2
ГЛАВА 3 РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА НА СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ
31 Физические механизмы генерации широкополосного оптического излучения (суперконтинуума) при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере
32 Спектральные, энергетические и угловые характеристики излучения суперконтинуума
33 Интегральные оптические характеристики сферических частиц при рассеянии на них излучения супер континуум а
Краткие выводы по главе 3
ГЛАВА 4 МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ СЛАБОПОГЛОЩАЮЩЕЙ ВОДНОЙ МИКРОЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЁ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ В ПОЛЕ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
41 Тепловой взрыв слабопоглощающих водных микрочастиц под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов
411 Оценка энергозапаса плазменных областей внутри слабопоглощающей водной микрочастицы при её оптическом пробое в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения
412 Оптотермодинамические переходы в водной микрочастице
Оценка степени испарения
42 Модель деформации и разрушения частицы
Краткие выводы по главе 4
Введение:
Актуальность темы
Прогресс в создании лазерных источников, способных генерировать излучение фемтосекундной временной шкалы с тераваттной и мультитераватгной пиковой мощностью, привел к разработке новых научных направлений: физике сверхсильных лазерных полей и спектроскопии сверхбыстрых процессов [1,2,3,4,5]. Возникли идеи о приложениях фемтосекундных лазерных технологий к проблемам атмосферной оптики. Известно, что перечень задач атмосферной оптики можно условно разделить на два класса: прямые и обратные задачи. Первый из них - класс задач о взаимодействии световой волны с веществом атмосферы и о прогнозировании распространения света на атмосферной трассе. Второй класс задач связан с извлечением информации о свойствах атмосферы из анализа характеристик оптических полей, которые определяются из решения прямых задач. На рубеже прошлого и настоящего столетий возникло новое направление в атмосферной оптике - фемтосекундная атмосферная оптика, которое поставило своей целью решение указанных задач применительно к фемтосекундным лазерным источникам. К настоящему времени получило наибольшее развитие исследование взаимодействия мощного фемтосекундного импульса с газовой составляющей атмосферы (филаментация, генерация суперконтинуума). Поскольку аэрозоль всегда присутствует в атмосфере, то, несомненно, задача о взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолями также является актуальной.
Частью аэрозольной компоненты атмосферы является жидкокапельный аэрозоль. Он - один из основных факторов, определяющих ослабление света в атмосфере, поэтому представляется важным исследовать наиболее характерные эффекты, которые реализуются при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с каплями.
Можно выделить три характерные особенности фемтосекундного лазерного излучения. Одной из особенностей является высокая временная когерентность в цуге импульсов при частотно - импульсном режиме работы лазерного источника. Это может привести к специфическим эффектам взаимодействия цуга таких импульсов и капельной среды, поскольку слабопоглощающая капля является высокодобротным резонатором [6,7].
Другой особенностью, характерной для фемтосекундного лазерного излучения, является возможность частотной модуляции (чирпирования) световых импульсов. Здесь важно исследовать как будет проявляться режим чирпирования при взаимодействии с каплями-резонаторами. Аналогичная задача - влияние частотной модуляции импульса на характер рассеяния света, появляется при исследовании взаимодействия суперконтинуального излучения, возникающего при нестационарной самофокусировке фемтосекундного импульса в атмосфере с её капельной фракцией.
Третьей особенностью фемтосекундного лазерного излучения является высокая пиковая интенсивность в импульсах. При воздействии такого излучения на микрочастицы создаются благоприятные условия для возникновения целого класса нелинейных эффектов: двухфотонное поглощение, генерация третьей гармоники, оптический пробой. При реализации оптического пробоя внутри капель становится необходимым исследование эффекта взрывного разрушения микрочастиц. Это важно для задачи распространения последовательности фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере, поскольку взрыв капель под действием одного из импульсов может вызвать ухудшение условий распространения последующих импульсов.
Работы по фемтосекундной оптике аэрозолей представляют самостоятельный интерес и для другой области оптических исследований - оптики микрорезонаторов. Использование высокодобротных мод частицы-микрорезонатора является перспективным для создания оптических биодатчиков [8], полимерного оптического волокна [9], наноструктурных полупроводников [10], фотонных кристаллов [11], микролазеров[12] и квантовых компьютеров [13]. Кроме того, микрочастицы могут также послужить базовым элементом для реализации устройств в виде капсулированых пленок или экранов с аэрозольным покрытием.
Состояние вопроса исследований
Совершенствование информационных систем с целью повышения их быстродействия и компактности, ориентация на энерго- и ресурсосберегающие технологии в связи с проблемами экологии выдвигают в настоящее время дисперсную среду в качестве удобного объекта реализации миниатюрных устройств на основе одиночных микрочастиц или микроволокна. Это связано с тем, что слабопоглощающие диэлектрические микрочастицы действуют как оптические резонаторы и, как следствие, в них реализуются высокодобротные электромагнитные моды, типа мод «шепчущей галереи» (МШГ). Выявление подобных резонансных мод дало толчок исследованиям преобразований оптического излучения резонаторами на основе микрочастиц. В последние годы исследования в этом направлении расширяются, поскольку были экспериментально продемонстрированы возможности микрочастиц по реализации различных нелинейных оптических эффектов, в частности, получена лазерная генерация на модах «шепчущей галереи» в твердых микрочастицах и каплях, вынужденное комбинационное рассеяние, генерация третьей гармоники и другие физические явления.
Микрочастицы являются распространенными объектами в природе и технике. Микрорезонатор на основе диэлектрической микрочастицы различного вида симметрии (сферической, цилиндрической, эллипсоидальной и т.д.) имеет ряд существенных преимуществ перед обычным линейным резонатором, среди которых - снижение порога реализации различных нелинейных явлений, сильная фокусировка излучения, малая чувствительность к разрушению и перегреву благодаря масштабному эффекту прочности, удобное согласование микросфер и микроцилиндров с оптическими волокнами.
Теория оптического пробоя газов, конденсированных и твердых сред изучена к настоящему времени достаточно подробно в широком спектральном и временном интервале лазерного излучения. Главной особенностью слабопоглощающей сферической частицы является то, что рассеяние на ней лазерного излучения сопровождается существенным увеличением интенсивности оптического поля во внутренних зонах, расположенных вблизи освещенной и теневой ее поверхностей. Кроме того, за счет фокусирующего эффекта сферической поверхности происходит подъем интенсивности поля и за частицей, в области ее геометрической тени, причем степень данного увеличения может достигать нескольких порядков величины для оптически «крупных» частиц. Малая пространственная протяженность фемтосекундного импульса, которая становится сопоставимой с размером частицы, приводит к существенно нестационарному характеру процесса рассеяния, что, в свою очередь, сказывается на временной динамике и достижимых уровнях интенсивности внутреннего и внешнего оптических полей.
Капли, находясь в полях мощного светового излучения, вследствие эффектов испарения или взрыва изменяют свои оптические характеристики и оказывают влияние на оптические свойства окружающей среды. Это приводит к тому, что процесс распространения интенсивного лазерного излучения в частице носит характер самовоздействия и способен изменить внутреннюю энергетику капли за счёт возникновения областей оптического пробоя. На основе эксперимента [14] наглядно был показан процесс разрушения водной капли под действием мощного фемтосекундного лазерного импульса.
В настоящее время в научной литературе активно обсуждаются вопросы, связанные с распространением мощного ультракороткого излучения в атмосфере и* перспективой использования эффектов нелинейного взаимодействия для диагностики ряда атмосферных характеристик [15-19]. Высокая пиковая мощность, достигаемая в фемтосекундных импульсах, обусловливает их распространение в атмосфере в режиме самоканализации и сильной пространственно-временной фазовой само модуляции.
В результате динамического баланса, устанавливающегося между фокусирующим эффектом керровской нелинейности и дефокусирующим действием плазмы, возникающей при многофотонной ионизации среды в канале излучения, происходят филаментация пучка и обогащение частотного спектра излучения с образованием суперконтинуума (СК). Спектральная ширина этого излучения достаточно велика. Так, для исходного излучения с центральной длиной волны А-о = 800 нм спектр суперконтинуума захватывает УФ- и ближнюю ИК-области спектра [16,20]. С помощью такого широкополосного источника становится реальным детектирование одновременно на многих частотах газовых и аэрозольных компонентов атмосферы и загрязняющих ее веществ [17, 18].
Цель и основные задачи
Целью работы является теоретическое исследование особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля.
Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи:
• исследованы особенности формирования внутреннего оптического поля прозрачной сферической частицы при рассеянии на ней одиночного и последовательности фемтосекундных лазерных импульсов;
• исследованы интегральные оптические характеристики линейного рассеяния света на аэрозольных частицах сферической формы при облучении их последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов и су пер континуальным излучением;
• изучены закономерности изменения эффективного объемного поглощения прозрачной микрочастицы при её оптическом пробое под действием сверхкороткого лазерного излучения;
• развита теоретическая модель разрушения слабопоглощающих водных микрочастиц под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов, проведены оценки степени взрывного испарения областей парообразования капли и её влияния на деформацию и разрушение частицы.
Достоверность
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями о взаимодействии излучения с прозрачными частицами, а также соответствием известным экспериментальным данным. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.
Научная новизна работы
Изучены особенности формирования внутреннего оптического поля частицы при облучении её цугом сверхкоротких лазерных импульсов и установлены основные параметры, влияющие на временное поведение и энергетические 8 характеристики поля, которыми являются длительность лазерных импульсов, характерные времена жизни резонансных мод, а также скважность следования импульсов. Анализ показал, что уменьшение скважности между воздействующими импульсами, приводит к увеличению интенсивности внутреннего поля в зоне его максимума, при этом растёт и время существования поля в частице. Характерные времена спадания интенсивности и существования поля в частице даются временем жизни наиболее высокодобротной из возбуждаемых резонансных мод.
На основе нестационарной теории Ми получены аналитические выражения для интегральных оптических характеристик сферических частиц (фактор эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния), облучаемых последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов. ' Проведены численные расчёты данных характеристик при облучении частиц различных размеров в трёх режимах: непрерывным лазерным излучением, одиночным импульсом и цугом фемтосекундных лазерных импульсов при вариации длительности и скважности следования лазерных импульсов. Показано, что основным отличием частотно-импульсного режима рассеяния излучения на сферической микрочастице от рассеяния на ней моноимпульса излучения является возможность своеобразной фазировки отдельных импульсов в цуге с возбуждающимися резонансными модами частицы, что приводит к количественным изменениям факторов эффективности.
Установлено, что возможно повысить эффективность резонансного возбуждения мод "шепчущей галереи" путем варьирования скважности следования световых импульсов в цуге в комбинации с линейной частотной модуляцией каждого импульса (чирпированием). Варьированием скважности следования импульсов производится настройка на резонанс, а изменение глубины чирпирования позволяет концентрировать энергию в нужных спектральных интервалах. В микронных водных каплях данный эффект наиболее выражен для излучения, состоящего из импульсов пикосекундной длительности по сравнению с воздействием на частицу цуга фемтосекундных импульсов. Получен более чем двукратный прирост в интенсивности оптического поля возбуждаемой МТТТГ.
Проведены численные расчеты факторов эффективности рассеяния, поглощения и обратного рассеяния водных частиц в поле квазибелого света излучения с широким спектральным диапазоном), возникающего при самофокусировке мощного фемтосекундного импульса в атмосфере. Исследовано поведение данных интегральных оптических характеристик для широкого диапазона размеров капель, перекрывающего спектр частиц туманов и облаков, и проведено сравнение с факторами рассеяния для монохроматического излучения и широкополосного излучения фемтосекундного импульса.
Установлено, что в поле суперконтинуального свечения, возникающего при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с частицей водного аэрозоля наиболее ярко выражен эффект сглаживания оптических характеристик светорассеяния при изменении размера частицы. Данный эффект максимально выражен для факторов эффективности рассеяния и обратного рассеяния.
Изучены особенности формирования очагов оптического пробоя в микрочастице под действием сверхкороткого лазерного импульса, а также оценены размеры и энергия областей плазмообразования. Данные характеристики, определяются исходя из максимума интенсивности внутреннего оптического поля капли.
Установлены особенности изменения поглощательных свойствах водной микрочастицы при оптическом пробое под действием сверхкороткого лазерного излучения. Проведены расчеты коэффициента "плазменного" поглощения, а также его максимального и усредненного по объему капли значения.
Развита модель взаимодействия мощного сверхкороткого лазерного излучения с водными микрочастицами различной начальной микроструктуры в условиях взрывного испарения. Разработанная модель позволяет прогнозировать условия, при которых будет происходить разрушение микрочастицы. Проведена оценка степени испарения и энергетического порога газодинамического взрыва.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований расширяют представления о физике процесса взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с атмосферным аэрозолем. Практическая сторона работы связана с обоснованием физических основ новых методов лазерной дистанционной диагностики параметров дисперсных сред. Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для областей лазерной физики, связанных с разработкой микролазеров и элементов оптоэлектроники.
Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ №03-0564228, №06 - 05-64799, №06-05- 96962 , гранта CRDF RPO-1390-TO-03, а также в проектах РАН, СО РАН, ОФН.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Возбуждение оптических резонансов в слабопоглощающих водных каплях ультракоротким лазерным излучением происходит с большей эффективностью при использовании цуга импульсов. Существует оптимальная скважность следования импульсов излучения, при которой достигается максимальное значение интенсивности внутреннего оптического поля в резонансной моде. Значение данной скважности обратно пропорционально относительной отстройке частоты возбуждающейся собственной моды от центральной частоты падающего излучения.
2. Рассеяние суперконтинуального излучения, формирующегося в воздушной среде в результате самовоздействия мощного фемтосекундного лазерного импульса, на частицах полидисперсного водного аэрозоля характеризуется слабым изменением усредненных по ансамблю частиц факторов эффективности рассеяния при вариации модального радиуса распределения капель по размерам.
3. При реализации оптического пробоя внутри водной микрочастицы под действием фемтосекундного лазерного излучения эффективный размер области плазменного поглощения возрастает с ростом интенсивности оптического поля и радиуса капли. При определенных соотношениях между размерами капли и областями энерговыделения может реализоваться процесс газодинамического взрыва микрочастицы.
Публикации
Основные материалы диссертации представлены в 30 публикациях. Из них 6 статей (1 принята в печать) в рецензируемых журналах, 23 в тезисах и трудах научных конференций.
Апробация результатов
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на IX - XIV Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 2002-2007), III - V Международных конференциях молодых ученых и специалистов "0птика-2003, 2005, 2007" (Санкт-Петербург, 2003 - 2007), III - VI
Международных школах молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2002 - 2007), II Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии" (Томск, 2003), Региональной конференции молодых ученых по физике (Владивосток, 2003), X Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных "ВНКСФ-10" (Екатеринбург-Москва, 2004), VII Международной школе-семинаре молодых ученых "Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития" (Томск, 2005), III, IV Международных конференциях "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2004, 2006), XVI International Symposium on Gas Flow and Lasers & High Power Lasers Conference" (Австрия, 2006), семинарах лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий и отделения дистанционного зондирования ИОА СО РАН.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 118 листах, содержит 2 таблицы и 36 рисунков. Список цитируемой литературы составляет 93 наименования.
