Распространение нити - Filament propagation

В нелинейная оптика, распространение нити это распространение луча свет через среду без дифракция. Это возможно, потому что Эффект Керра вызывает показатель преломления изменение среды, в результате чего самофокусировка балки.^[1]

Треки нитевидного повреждения в стекле, вызванные лазерными импульсами, впервые были обнаружены Майклом Гершером в 1964 году.^[2] Распространение нити лазерных импульсов в атмосфере наблюдалось в 1994 г. Жерар Муру и его команда в университет Мичигана. Баланс между рефракцией самофокусировки и самозатуханием дифракция к ионизация и разрежение лазерного луча тераваттной интенсивности, создаваемого усиление чирпированных импульсов, в атмосфере создает «нити», которые действуют как волноводы для луча, предотвращая расхождение. Конкурирующие теории о том, что наблюдаемая нить накала на самом деле была иллюзией, созданной аксиконическим (бесселевым) или движущимся фокусом вместо «волноводной» концентрации оптической энергии, были опровергнуты сотрудниками Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1997 году.^[3] Хотя для описания процесса филаментации были разработаны сложные модели, модель, предложенная Akozbek et al.^[4] обеспечивает полуаналитическое и простое для понимания решение для распространения сильных лазерных импульсов в воздухе.

Распространение нити в полупроводник среда также может наблюдаться в большой апертуре лазеры с вертикальным резонатором, излучающие поверхность.

Фемтосекундная лазерная филаментация в газовых средах

Самофокусировка

Лазерный луч, проходящий через среду, может модулировать показатель преломления среды как^[5]

${\displaystyle n={n_{0}+{\bar {n}}_{2}I}}$

где ${\displaystyle n_{0}}$, ${\displaystyle {\bar {n}}_{2}}$ и ${\displaystyle I}$ - линейный показатель преломления, показатель преломления второго порядка и интенсивность распространяющегося лазерного поля соответственно. Самофокусировка возникает, когда фазовый сдвиг из-за эффекта Керра компенсирует фазовый сдвиг из-за гауссовой расходимости луча. Изменение фазы из-за дифракции для гауссова пучка после прохождения длины ${\displaystyle \Delta z}$ является

${\displaystyle \phi _{diffraction}={k\Delta z \over 2\rho _{0}^{2}}r^{2}}$

а изменение фазы из-за эффекта Керра равно

${\displaystyle \phi _{Kerr}={2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }exp({-2r^{2} \over w_{0}^{2}})\approx {2\pi {\bar {n}}_{2}I_{0}\Delta z \over \lambda }(1-{2r^{2} \over w_{0}^{2}})}$.

где ${\displaystyle k={2\pi n_{0} \over \lambda }}$, ${\displaystyle \rho _{0}={\pi w_{0}^{2}n_{0} \over \lambda }}$(Диапазон Рэлея) и ${\displaystyle w_{0}}$ - перетяжка гауссова пучка. Чтобы самофокусировка произошла, нужно выполнить условие ${\displaystyle r^{2}}$ члены равны по величине как для керровской, так и для дифракционной фаз. Следовательно

${\displaystyle I_{0}={w_{0}^{2} \over 4\rho _{0}^{2}{\bar {n}}_{2}}}$.

С другой стороны, мы знаем, что площадь перетяжки гауссова пучка равна ${\displaystyle \pi w_{0}^{2} \over 2}$. Следовательно^[6]

${\displaystyle P_{c}={\lambda ^{2} \over 8\pi n_{0}{\bar {n}}_{2}}}$.

Примечание

${\displaystyle {\bar {n}}_{2}\left({cm^{2} \over W}\right)=n_{2}n_{0}\epsilon _{0}c}$

Для самофокусировки требуется пиковая мощность лазера выше критической. ${\displaystyle P_{c}}$ (порядка гигаватт в воздухе^[7]), однако для инфракрасных (ИК) наносекундных импульсов с пиковой мощностью выше критической мощности самофокусировка невозможна. Многофотонная ионизация, обратное тормозное излучение и электронная лавинная ионизация - три основных результата взаимодействия газа и лазера. Два последних процесса являются взаимодействиями столкновительного типа, и для их завершения требуется время (от пикосекунды до наносекунды). Наносекундного импульса достаточно для развития пробоя воздуха до того, как мощность достигнет порядка ГВт, необходимого для самофокусировки. При пробое газа образуется плазма, имеющая поглощающий и отражающий эффект, поэтому самофокусировка запрещена.^[7]

Перефокусировка при распространении сфокусированного короткого лазерного импульса

Интересным явлением, связанным с распространением филамента, является перефокусировка сфокусированных лазерных импульсов после геометрической фокусировки.^[8][9]Распространение гауссова луча предсказывает увеличение ширины луча в двух направлениях от геометрического фокуса. Однако в случае лазерной филаментации луч быстро снова схлопнется. Это расхождение и переориентация будет продолжаться бесконечно.

Распространение нити в фотореактивных системах

Образование и распространение нити также можно наблюдать в фотополимерных системах. Такие системы демонстрируют керровскую оптическую нелинейность за счет фотореактивного увеличения показателя преломления.^[10] Нити образуются в результате самозахвата отдельных лучей, или модуляционная нестабильность светового профиля большой площади. Распространение филаментов наблюдалось в нескольких фотополимеризуемых системах, включая органосилоксан,^[11] акрил,^[12] эпоксидная смола и сополимеры с эпоксидными смолами,^[13] и полимерные смеси.^[14][15] Местами образования и распространения нити можно управлять путем модуляции пространственного профиля входного светового поля. Такие фотореактивные системы способны создавать волокна из пространственно и временно некогерентного света, потому что медленная реакция реагирует на среднюю по времени интенсивность оптического поля, в результате чего фемтосекундные флуктуации размываются.^[11] Это похоже на фоторефрактивные среды с не мгновенными откликами, которые позволяют распространяться нити с некогерентным или частично некогерентным светом.^[16]

Возможные приложения

Нити, образовав плазму, превращают узкополосный лазерный импульс в широкополосный импульс, имеющий совершенно новый набор приложений. Интересным аспектом плазмы, индуцированной филаментацией, является ограниченная плотность электронов, процесс, который предотвращает оптический пробой.^[17] Этот эффект является отличным источником для спектроскопии высокого давления с низким уровнем континуума, а также с меньшим уширением линий.^[18] Еще одно возможное применение - это ЛИДАР -мониторинг воздуха.^[19]

Нарезка плоских панелей с использованием коротких лазерных импульсов является важной областью применения в связи с тем, что по мере того, как стеклянные подложки становятся тоньше, становится все труднее повышать производительность процесса с использованием обычных методов нарезки алмазным диском. Использование коротких импульсов на скорости более 400 мм / с было успешно продемонстрировано на нещелочном и боросиликатном стекле с использованием мощного фемтосекундного лазера 50 кГц и 5 Вт. Рабочий принцип, разработанный Kamata et al.^[20] следующее. Короткоимпульсный лазерный луч с длиной волны, для которой изделие является прозрачным, направляется на переднюю поверхность изделия к задней поверхности и фокусируется. Формируется нить накала в направлении движения светового луча от перетяжки луча за счет действия автофокусировки из-за распространения лазерного луча в изделии. Вещество в нити накала разлагается под действием лазерного луча и может отводиться от задней поверхности, в канале образуется полость. При формировании полости лазерный луч сканируется, образуется обработанная поверхность, и после этого работа может обрабатываться со слабым изгибающим напряжением.^{[нужна цитата ]}

В июле 2014 г. исследователи Университет Мэриленда сообщил об использовании филамента фемтосекундный лазер импульсы в квадратном расположении для создания градиента плотности в воздухе, который действует как оптический волновод длительностью порядка нескольких миллисекунд. Первоначальное тестирование продемонстрировало усиление сигнала на 50% по сравнению с неуправляемым сигналом на расстоянии около одного метра.^[21]

Рекомендации

1. Рашидиан Вазири, М. Р. (2013). «Описание распространения интенсивных лазерных импульсов в нелинейных средах Керра с использованием модели воздуховодов». Лазерная физика. 23 (10): 105401. Bibcode:2013LaPhy..23j5401R. Дои:10.1088 / 1054-660X / 23/10/105401.
2. Герчер, М. (1964). «Лазерное повреждение прозрачных сред». Журнал Оптического общества Америки. 54: 563.
3. Xhao, X.M .; Jones, R.J .; Strauss, C.E.M .; Funk, D.J .; Roberts, J.P .; Тейлор, А.Дж. (1997). «Управление формированием филамента фемтосекундного импульса в воздухе путем изменения начального чирпа импульса». CLEO '97., Резюме статей, представленных на конференции по лазерам и электрооптике. 11. IEEE. С. 377–378. Дои:10.1109 / CLEO.1997.603294. ISBN  0-7803-4125-2.
4. Н. Акезбек, С.М. Боуден, А. Талебпур, С.Л. Чин, Распространение фемтосекундных импульсов в воздухе: вариационный анализ, Phys. Ред. E 61, 4540–4549 (2000)
5. Бойд, Роберт. Нелинейная оптика (Третье изд.). Академическая пресса.
6. Дильс, Жан-Клод; Рудольф, Вольфганг (05.10.2006). Явления ультракоротких лазерных импульсов (Второе изд.). ISBN  978-0-12-215493-5.
7. Chin, S.L .; Wang, T.J .; Марсо, К. (2012). «Достижения в области интенсивной филаментации фемтосекундного лазера в воздухе». Лазерная физика. 22 (1): 1–53. Bibcode:2011LaPhy.tmp..464C. Дои:10.1134 / S1054660X11190054.
8. М. Млейнек, Э.М. Райт, Дж. В. Молони, Опт. И спектр. Lett. 23 1998 382
9. А. Талебпур, С. Пети, С.Л. Чин, Перефокусировка во время распространения сфокусированного фемтосекундного Ti: импульса сапфирового лазера в воздухе, Optics Communications 171 1999 285–290
10. Kewitsch, Anthony S .; Ярив, Амнон (01.01.1996). «Самофокусировка и самозахват оптических пучков при фотополимеризации» (PDF). Письма об оптике. 21 (1): 24–6. Bibcode:1996OptL ... 21 ... 24K. Дои:10.1364 / OL.21.000024. ISSN  1539-4794. PMID  19865292.
11. Берджесс, Ян Б.; Шиммелл, Уитни Э .; Сараванамутту, Калайчелви (1 апреля 2007 г.). «Спонтанное образование рисунка из-за модуляционной нестабильности некогерентного белого света в фотополимеризуемой среде». Журнал Американского химического общества. 129 (15): 4738–4746. Дои:10.1021 / ja068967b. ISSN  0002-7863. PMID  17378567.
12. Бирия, Саид; Malley, Philip P.A .; Kahan, Tara F .; Хосейн, Ян Д. (2016-03-03). «Настраиваемая нелинейная оптическая структура и микроструктура в сшивающих акрилатных системах во время свободнорадикальной полимеризации». Журнал физической химии C. 120 (8): 4517–4528. Дои:10.1021 / acs.jpcc.5b11377. ISSN  1932-7447.
13. Баскер, Динеш К .; Брук, Майкл А .; Сараванамутту, Калайчелви (03.09.2015). «Самопроизвольное возникновение нелинейных световых волн и микроструктуры самозаписывающегося волновода при катионной полимеризации эпоксидов». Журнал физической химии C. 119 (35): 20606–20617. Дои:10.1021 / acs.jpcc.5b07117. ISSN  1932-7447.
14. Бирия, Саид; Malley, Phillip P.A .; Kahan, Tara F .; Хосейн, Ян Д. (15.11.2016). «Оптический автокатализ устанавливает новую пространственную динамику в фазовом разделении полимерных смесей во время фотоотверждения». Буквы макросов ACS. 5 (11): 1237–1241. Дои:10.1021 / acsmacrolett.6b00659.
15. Бирия, Саид; Хосейн, Ян Д. (2017-05-09). «Контроль морфологии в смесях полимеров посредством самозахвата света: исследование эволюции структуры, кинетики реакции и разделения фаз». Макромолекулы. 50 (9): 3617–3626. Bibcode:2017MaMol..50.3617B. Дои:10.1021 / acs.macromol.7b00484. ISSN  0024-9297.
16. Пространственные солитоны | Стефано Трилло | Springer. Серия Спрингера в оптических науках. Springer. 2001 г. ISBN  9783540416531. В архиве из оригинала от 21.12.2017.
17. А. Талебпур и др., Пределы фокусировки интенсивных сверхбыстрых лазерных импульсов в газе высокого давления: дорога к новому спектроскопическому источнику, 2000, Optics Communications, 183: 479–484
18. А. Талебпур и др., Спектроскопия газов, взаимодействующих с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, 2001, Laser Physics, 11: 68–76.
19. Л. Вёстеа, С. Фрейб, Дж. Вольф, ЛИДАР-мониторинг воздуха с помощью фемтосекундных плазменных каналов, Достижения в атомной, молекулярной и оптической физике, 2006, 53: 413–441
20. Камата, М .; Сумёши, Т .; Цудзикаула, С., & Секита, Х. (2008). Метод лазерной обработки, метод лазерной резки и способ разделения структуры, имеющей многослойную плату, Заявка РСТ, WO / 2008/126742
21. «Создание оптических кабелей из воздуха», (e) Новости науки, 22 июля 2014 г.

внешняя ссылка

• Эксперименты показывают, как мощные ультракороткие лазерные импульсы распространяются по воздуху
• Филаментация и распространение ультракоротких интенсивных лазерных импульсов в воздухе

^[1]

1. Chin, S. L .; Wang, T. -J .; Marceau, C .; Wu, J .; Liu, J. S .; Косарева, О .; Панов, Н .; Chen, Y.P .; Daigle, J. -F .; Юань, S .; Азарм, А .; Liu, W. W .; Seideman, T .; Zeng, H.P .; Richardson, M .; Li, R .; Сюй, З. З. (2012). «Достижения в области интенсивной филаментации фемтосекундного лазера в воздухе». Лазерная физика. 22: 1–53. Bibcode:2012LaPhy..22 .... 1С. Дои:10.1134 / S1054660X11190054.