Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с жидкими

реклама
«Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà», 24, ¹ 8 (2011)
ÓÄÊ 621.378.33, 535.621.33
Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ
ñ æèäêèìè ñðåäàìè. ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå
õàðàêòåðèñòèêè ðàññåÿíèÿ íà ìèëëèìåòðîâûõ
âîäíûõ êàïëÿõ
Î.À. Áóêèí2, Å.Å. Áûêîâà1, Þ.Ý. Ãåéíö1, Ñ.Ñ. Ãîëèê3, À.À. Çåìëÿíîâ1,
À.À. Èëüèí3, À.Ì. Êàáàíîâ1, Ã.Ã. Ìàòâèåíêî1, Â.Ê. Îøëàêîâ1,
Å.Á. Ñîêîëîâà2, Ð.Ð. Õàáèáóëëèí1*
1
Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû èì. Â.Å. Çóåâà ÑÎ ÐÀÍ
634021, ã. Òîìñê, ïë. Àêàäåìèêà Çóåâà, 1
2
Èíñòèòóò àâòîìàòèêè è ïðîöåññîâ óïðàâëåíèÿ ÄÂÎ ÐÀÍ
690041, ã. Âëàäèâîñòîê, óë. Ðàäèî, 5
3
Äàëüíåâîñòî÷íûé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò
690950, ã. Âëàäèâîñòîê, óë. Ñóõàíîâà, 8
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 7.02.2011 ã.
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé âçàèìîäåéñòâèÿ ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ãèãàâàòòíîé ìîùíîñòè ñ ïîäâåøåííûìè êàïëÿìè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû ìèëëèìåòðîâûõ
ðàçìåðîâ. Èññëåäîâàíî óãëîâîå ðàñïðåäåëåíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ñâå÷åíèÿ âîäíîé ÷àñòèöû.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ôåìòîñåêóíäíîå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå, âîäíàÿ êàïëÿ, ôîòîèîíèçàöèÿ, îïòè÷åñêèé ïðîáîé, èñïàðåíèå, âçðûâíàÿ ôðàãìåíòàöèÿ ÷àñòèöû, ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ; femtosecond laser radiation, water
droplet, photoionization, optical breakdown, evaporation, particle explosive fragmentation, phase modulation.
Ìèêðî÷àñòèöû æèäêîñòè èëè òâåðäîôàçíîãî
âåùåñòâà â ôîðìå ñôåð íåèçìåííî âûçûâàþò ïîâûøåííûé èíòåðåñ ñïåöèàëèñòîâ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ëàçåðíîé ôèçèêè â ïëàíå ðåàëèçàöèè ðàçíîîáðàçíûõ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, òàêèõ
êàê âûíóæäåííîå êîìáèíàöèîííîå ðàññåÿíèå [1],
ìíîãîôîòîííî âîçáóæäåííàÿ ôëóîðåñöåíöèÿ è âûíóæäåííîå èçëó÷åíèå [2–4], ãåíåðàöèÿ òðåòüåé [5]
è áîëåå âûñîêèõ ãàðìîíèê [6], à òàêæå øèðîêîïîëîñíîãî îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà [7]. Ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ ìèêðî÷àñòèö â íåëèíåéíîé îïòèêå ñâÿçàíû, ïðåæäå âñåãî, ñ èõ ñïîñîáíîñòüþ ôîêóñèðîâàòü ïàäàþùåå íà ÷àñòèöó èçëó÷åíèå, ÷òî ïðèâîäèò
ê ñóùåñòâåííîìó óâåëè÷åíèþ èíòåíñèâíîñòè âíóòðåííåãî îïòè÷åñêîãî ïîëÿ è çàìåòíîìó ñíèæåíèþ
ïîðîãîâ íåëèíåéíûõ ïðîöåññîâ ñâåòîðàññåÿíèÿ ïî
ñðàâíåíèþ ñî ñïëîøíîé ñðåäîé.
* Îëåã Àëåêñååâè÷ Áóêèí (o_bukin@mail.ru); Åëåíà
Åâãåíüåâíà Áûêîâà (bee@iao.ru); Þðèé Ýëüìàðîâè÷ Ãåéíö
(ygeints@iao.ru); Ñåðãåé Ñåðãååâè÷ Ãîëèê (golik_s@mail.ru);
Àëåêñàíäð Àíàòîëüåâè÷ Çåìëÿíîâ (zaa@iao.ru); Àëåêñåé
Àíàòîëüåâè÷ Èëüèí (kunashir@gmail.com); Àíäðåé Ìèõàéëîâè÷ Êàáàíîâ (kam@iao.ru); Ãåííàäèé Ãðèãîðüåâè÷ Ìàòâèåíêî (mgg@iao.ru); Âèêòîð Êîíñòàíòèíîâè÷ Îøëàêîâ
(ovk@iao.ru); Åêàòåðèíà Áîðèñîâíà Ñîêîëîâà (mastapes@
mail.ru); Ðàâèëü Ðàôàýëüåâè÷ Õàáèáóëëèí (ravil_xp@
mail.ru).
648
Âûñîêàÿ ïèêîâàÿ èíòåíñèâíîñòü, õàðàêòåðíàÿ
äëÿ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ, ÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì ôàêòîðîì, îáëåã÷àþùèì âîçáóæäåíèå íåëèíåéíûõ ýôôåêòîâ â àýðîçîëüíûõ ÷àñòèöàõ, â ÷àñòíîñòè îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ [6, 7] è âçðûâíîãî ðàçðóøåíèÿ æèäêèõ ÷àñòèö
[8]. Âíóòðè îáëó÷åííîé ïðîçðà÷íîé êàïëè â ìåñòàõ
íàèáîëüøåé êîíöåíòðàöèè ñâåòîâîé ýíåðãèè çà âðåìÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà ôîðìèðóþòñÿ ïëàçìåííûå
î÷àãè, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îáëàñòÿìè àêòèâíîãî ïîãëîùåíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ è ïîñëåäóþùåé
ýìèññèè ñâåòà â øèðîêîé ïîëîñå ñïåêòðà. Âûñîêàÿ
íàïðàâëåííîñòü ýìèññèè ïëàçìû â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè (íà èñòî÷íèê) îòêðûâàåò îïðåäåëåííûå
ïåðñïåêòèâû äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ àýðîçîëüíûõ ÷àñòèö â ìåòîäèêàõ ëàçåðíîé äèñòàíöèîííîé äèàãíîñòèêè õèìè÷åñêîãî è ìèêðîáèîëîãè÷åñêîãî ñîñòàâà
äèñïåðãèðîâàííîãî âåùåñòâà àòìîñôåðû è îêåàíà [3].
 íàøèõ ïðåäûäóùèõ ñòàòüÿõ [9, 10] áûëè
ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ïåðâûõ â Ðîññèè êîìïëåêñíûõ ýêñïåðèìåíòîâ, ïðîâåäåííûõ â îáúåäèíåííîé ëàáîðàòîðèè ÈÀèÏÓ ÄÂÎ ÐÀÍ è ÄÂÃÓ
ñîâìåñòíî ñ ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ, ïî âçàèìîäåéñòâèþ
ìîùíûõ óëüòðàêîðîòêèõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ êîíäåíñèðîâàííûìè ñðåäàìè.  ÷àñòíîñòè, áûëè èññëåäîâàíû äèíàìèêà âçðûâíîãî ðàçðóøåíèÿ è ñïåêòðû ñâå÷åíèÿ ïîäâåøåííûõ ìèëëèìåòðîâûõ âîäíûõ
êàïåëü, îáëó÷åííûõ ãèãàâàòòíûì èçëó÷åíèåì ôåì-
Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð.
òîñåêóíäíîãî òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ÿðêîñòü, à òàêæå ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ âîçíèêàþùåãî ñâå÷åíèÿ êàïåëü çàâèñÿò îò íà÷àëüíîé ìîùíîñòè âîçäåéñòâóþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
Ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøîé èíòåíñèâíîñòè îáëó÷åíèÿ â ñïåêòðàõ ñâå÷åíèÿ êàïëè âûäåëÿëèñü ýìèññèîííûå ëèíèè àòîìàðíîãî êèñëîðîäà è âîäîðîäà.
Ôèçè÷åñêàÿ ïðèðîäà íàáëþäàåìîãî ñâå÷åíèÿ êàïëè
áûëà îáúÿñíåíà äåéñòâèåì äâóõ ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ, ñâÿçàííûõ ñ òåïëîâûì èçëó÷åíèåì íàãðåòîé äî âûñîêèõ òåìïåðàòóð æèäêîñòè è ôàçîâîé
ñàìîìîäóëÿöèåé ñâåòîâîãî èìïóëüñà ïðè åãî íåëèíåéíîì ðàñïðîñòðàíåíèè âíóòðè æèäêîé êàïëè.
Íàñòîÿùàÿ ñòàòüÿ ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèåì
óïîìÿíóòûõ âûøå ïóáëèêàöèé è ñîäåðæèò ýêñïåðèìåíòàëüíóþ èíôîðìàöèþ ïî õàðàêòåðèñòèêàì
óãëîâîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ
ïîäâåøåííûìè âîäíûìè êàïëÿìè ïðè èõ îñâåùåíèè
ôåìòîñåêóíäíûìè ëàçåðíûìè èìïóëüñàìè. Àêöåíò
íàìè ñäåëàí íà óñòàíîâëåíèè îñîáåííîñòåé â ñïåêòðàëüíîì íàïîëíåíèè ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ â ðàçëè÷íûõ ÷àñòîòíûõ äèàïàçîíàõ è âûÿñíåíèè âîçìîæíûõ ïðè÷èí, ïðèâîäÿùèõ ê íàáëþäàþùèìñÿ çàêîíîìåðíîñòÿì.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûé ñòåíä, íà êîòîðîì ïðîâîäèëèñü èññëåäîâàíèÿ, ïîäðîáíî îïèñàí â [9]. Îí
âêëþ÷àë â ñåáÿ èñòî÷íèê ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ñîáðàííûé ïî ñõåìå CPA (Chirped Pulse Amplification)
íà áàçå êðèñòàëëà Ti:Sapphire è ðàáîòàþùèé â ÷àñòîòíî-èìïóëüñíîì ðåæèìå ñî ñëåäóþùèìè ïàðàìåòðàìè èìïóëüñîâ: íåñóùàÿ äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ
λ0 = 800 íì, øèðèíà ñïåêòðà 35 íì, ýíåðãèÿ â èìïóëüñå äî 0,9 ìÄæ, äëèòåëüíîñòü ∼ 40 ôñ ïðè ãàóññîâñêîì òèïå âðåìåííîé çàâèñèìîñòè, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 1 êÃö. Âîçäåéñòâóþùèé ëàçåðíûé
ïó÷îê äèàìåòðîì 7 ìì (ïî óðîâíþ 1/e2) ñ ïîìîùüþ
ëèíçû ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì f = 200 ìì ôîêóñèðîâàëñÿ â îáëàñòü âçàèìîäåéñòâèÿ. Êàïëè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû ñî ñðåäíèì äèàìåòðîì 2a0 = 2÷5 ìì
ïîäâåøèâàëèñü íà êîíöå èãëû, ïðè ýòîì òî÷êà ïîäâåñà áûëà ñìåùåíà îòíîñèòåëüíî ôîêóñà ïó÷êà íà
ðàññòîÿíèå 24 ìì ïî íàïðàâëåíèþ ê èñòî÷íèêó.
Ñïåêòðàëüíûå èçìåðåíèÿ ñâå÷åíèÿ êàïåëü ïðîâîäèëèñü ñïåêòðîìåòðîì, ñíàáæåííûì äèôðàêöèîííîé ðåøåòêîé è ñîãëàñóþùåé îïòèêîé, ÷òî îáåñïå÷èâàëî ðåãèñòðàöèþ ñèãíàëà â äèàïàçîíå äëèí
âîëí îò 195 äî 1150 íì. Ðàçìåð êàïëè â ýêñïåðèìåíòå êîíòðîëèðîâàëñÿ ïî àíàëèçó åå ôîòîãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ, âûïîëíåííîãî ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì. Ïîñêîëüêó âñëåäñòâèå
âëèÿíèÿ ïîäâåñà è ãðàâèòàöèè ôîðìà êàïëè íåñêîëüêî îòëè÷àëàñü îò ñôåðè÷åñêîé, òî â äàëüíåéøåì ïðè ïðåäñòàâëåíèè äàííûõ ïîä èñòèííûì ðàäèóñîì êàïëè a0 áóäåì ïîíèìàòü åå ñðåäíèé ðàäèóñ, âû÷èñëÿåìûé êàê a0 = (a⊥ + a||)/2, ãäå a|| è a⊥ –
ïîëóøèðèíà èçîáðàæåíèÿ êàïëè ïàðàëëåëüíî è ïîïåðåê âîçäåéñòâóþùåãî èçëó÷åíèÿ ñîîòâåòñòâåííî.
 êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû äâà
ôîòîñíèìêà êàïëè âîäû, íàõîäÿùåéñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì öóãà óëüòðàêîðîòêèõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ.
Ëàçåð
à
á
Ðèñ. 1. Îïòè÷åñêèé ïðîáîé è ñâå÷åíèå âîäíîé êàïëè
ñ a0 ≈ 1 ìì, îáëó÷åííîé öóãîì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ
èìïóëüñîâ, çàôèêñèðîâàííûå ïðè ðàçëè÷íîé âðåìåííîé
âûäåðæêå: 1/500 ñ (à) è 1 ñ (á). Èçëó÷åíèå ïàäàåò ñëåâà
Ôîòîãðàôèè ïîëó÷åíû ïðè ðàçëè÷íîé âðåìåííîé âûäåðæêå çàòâîðà (1/500 è 1 ñ) è ïðè ðàçëè÷íîì óâåëè÷åíèè îáúåêòèâà. Íà îáîèõ ñíèìêàõ îò÷åòëèâî íàáëþäàåòñÿ ñâå÷åíèå êàïëè, ïðè÷åì âèäèìàÿ ÷àñòü ñïåêòðà ýòîãî ñâå÷åíèÿ èìååò êðàñíîâàòîîðàíæåâûé öâåò, áëèçêèé ïî öâåòîâîé ãàììå ê èçëó÷åíèþ He–Ne-ëàçåðà. Êàê ïîêàçûâàåò ðèñ. 1, à,
ñâåòÿùèåñÿ îáëàñòè ðàñïîëàãàþòñÿ ïî âñåìó îáúåìó
êàïëè, íî íàèáîëüøàÿ èõ ïëîòíîñòü íàáëþäàåòñÿ
â òåíåâîé ïîëóñôåðå. Ïðè ýòîì çäåñü æå âèäíû
ñâåòÿùèåñÿ âûáðîñû ïàðîêàïåëüíîé ñìåñè, íàïðàâëåííûå ïî õîäó ñâåòîâîãî ëó÷à è èìåþùèå ðàçìåð
â ïîïåðå÷íèêå ∼ 100–150 ìêì.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñïåêòðû ðàññåÿííîãî íà
ïîäâåøåííîé âîäíîé êàïëå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ
ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2 äëÿ òðåõ õàðàêòåðíûõ íàïðàâëåíèé: ïî õîäó ëàçåðíîãî ëó÷à (θ = 360°), ïîïåðåê
(θ = 270°) è íàâñòðå÷ó ïó÷êó (θ = 191°). Çäåñü æå
äëÿ ñðàâíåíèÿ ïîêàçàí ñïåêòðàëüíûé êîíòóð ïàäàþùåãî íà ÷àñòèöó ñâåòîâîãî èçëó÷åíèÿ.
Êàê âèäíî èç ðèñ. 2, ñóùåñòâóåò îïðåäåëåííàÿ
çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû è øèðèíû ñïåêòðàëüíîãî
ðàñïðåäåëåíèÿ ðåãèñòðèðóåìîãî ñèãíàëà îò óãëà
ðàññåÿíèÿ. Â îñíîâíîì ýòî êàñàåòñÿ äèàïàçîíà äëèí
âîëí 600–1000 íì, â òî âðåìÿ êàê áîëåå êîðîòêîâîëíîâîå êðûëî ñïåêòðà ðàññåÿíèÿ (< 600 íì)
Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè…
2*.
649
íå ïðåòåðïåâàåò âèäèìûõ èçìåíåíèé ôîðìû, à ïîâòîðÿåò õîä âîçäåéñòâóþùåãî èçëó÷åíèÿ.
θ = 191°
270°
360°
Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.
Ëàçåð
Ïîäñâåòêà
200
400 600 800 1000
Äëèíà âîëíû, íì
200
400
600
800
1000
1200
Äëèíà âîëíû, íì
Ðèñ. 2. Ñïåêòðàëüíàÿ çàâèñèìîñòü ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ
(îòí. åä.) îò âîäíîé êàïëè a0 ≈ 1,5 ìì ïîä ðàçëè÷íûìè
óãëàìè θ. Íà âñòàâêå – ñïåêòð ïàäàþùåãî ëàçåðíîãî
èìïóëüñà
Îòíîñèòåëüíî ñïåêòðà ïîñëåäíåãî îòìåòèì íàëè÷èå èñêàæåíèé åãî öåíòðàëüíîé ÷àñòè, îáóñëîâëåííûõ ñàìîâîçäåéñòâèåì ìîùíîãî ôåìòîñåêóíäíîãî
èìïóëüñà ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç ôîêóñèðóþùóþ
ñòåêëÿííóþ (KPX106AR.16, àíàëîã ðîññèéñêîé
ÂÊ7) ëèíçó. Òàêæå íà âñòàâêå ê ðèñ. 2 âèäåí ðÿä
ìàêñèìóìîâ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà (ëèíèè HgI
ñ öåíòðàìè íà 435,83; 546,1; 576,96; 578,97; 579,07;
546,08 è 435,83 íì), ñâÿçàííûõ ñ èñïîëüçîâàíèåì
âî âðåìÿ èçìåðåíèé ôîíîâîé ïîäñâåòêè ðòóòíîé
(ãàëîôîñôàòíûé ëþìèíîôîð) ëàìïîé äíåâíîãî ñâåòà [11].
Áîëåå äåòàëüíî óãëîâîå ïîâåäåíèå óñðåäíåííîé
ïî ðàçëè÷íûì ñïåêòðàëüíûì äèàïàçîíàì àìïëèòóäû ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ <I> ïîêàçûâàåò ðèñ. 3.
330
3400
345
315
Àìïëèòóäà, îòí. åä.
Àìïëèòóäà, îòí. åä.
3500
300
3300 285
3200 270
3300 255
3400
3500
240
225
210
315
12000
8000
330
345
300
285
4000
270
4000
255
8000
240
12000
225
210
195
à
195
á
Ðèñ. 3. Óñðåäíåííàÿ àìïëèòóäà ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ <I>
îò âîäíîé êàïëè (a0 ≈ 1,5 ìì) â çàâèñèìîñòè îò óãëà θ
â ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíàõ 450–600 (à) è 600–1100 íì
(á). Èçëó÷åíèå ïàäàåò ñíèçó. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè
äëÿ íàãëÿäíîñòè ñîåäèíåíû ëèíèåé
Âåëè÷èíà <I> âû÷èñëÿëàñü êàê ñðåäíåàðèôìåòè÷åñêîå ïî ìàññèâó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ
I(θ, λj), j = 1 … 2068, ñëåäóþùèì îáðàçîì:
j2
< I(θ) > =
1
Ij (θ),
j2 − j1 j = j
∑
1
650
ãäå Ij(θ) = I(θ, λj), à èíäåêñû j1 è j2 âûáèðàëèñü èç
óñëîâèÿ ñîîòâåòñòâèÿ âûáðàííîìó äèàïàçîíó äëèí
âîëí.
Áëàãîäàðÿ ðàçáèåíèþ ïîëíîãî ñïåêòðà íà ïîäûíòåðâàëû, ìîæíî óñëîâíî ðàçäåëèòü îñíîâíûå
ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, òðàíñôîðìèðóþùèå ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ ðàññåÿííîãî êàïëåé èçëó÷åíèÿ.
Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýòî ñâå÷åíèå íàãðåòîé â ðåçóëüòàòå òåðìàëèçàöèè ïëàçìû âîäû, à òàêæå èçëó÷àòåëüíàÿ ðåêîìáèíàöèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â îáëàñòÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýòî
ôàçîâàÿ ñàìîìîäóëÿöèÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðè
åãî ðàñïðîñòðàíåíèè ÷åðåç âîäíóþ ñðåäó ïîä äåéñòâèåì îïòè÷åñêîãî ýôôåêòà Êåððà è ïëàçìåííîé
äåôîêóñèðîâêè.
Èç ðèñ. 3 ñëåäóåò, ÷òî äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ îò êàïëè â îáùåì ñëó÷àå
íåèçîòðîïíà. Äîñòàòî÷íî ñëàáàÿ íåîäíîðîäíîñòü
ðàñïðåäåëåíèÿ ïî óãëó íàáëþäàåòñÿ â èíòåðâàëå
äëèí âîëí λ = 450÷600 íì (ðèñ. 3, à), êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò «áåëîìó» ñâå÷åíèþ î÷àãîâ îïòè÷åñêîãî
ïðîáîÿ âíóòðè êàïëè. Äèàïàçîí îòíîñèòåëüíîãî
èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ïî ðàçëè÷íûì íàïðàâëåíèÿì çäåñü íå ïðåâûøàåò ∼ 70%. Ïðè ýòîì èçëó÷åíèå â çàäíþþ (θ ≤ 270°) ïîëóñôåðó êàïëè õàðàêòåðèçóåòñÿ áîëüøåé íàïðàâëåííîñòüþ, ò.å. òîëüêî
îäíèì ìàêñèìóìîì ïðè θ = 195°, ïî îòíîøåíèþ
ê èçëó÷åíèþ â ïåðåäíþþ ÷àñòü êàïëè, ãäå, êàê âèäíî, âîçíèêàþò ñðàçó äâà âûäåëåííûõ íàïðàâëåíèÿ
ðàññåÿíèÿ ïîä óãëàìè 300 è 340°.
Ïîäîáíàÿ äèàãðàììà ñâå÷åíèÿ ÷àñòèöû ðåàëèçóåòñÿ, íàïðèìåð, ïðè âîçáóæäåíèè ôëóîðåñöåíöèè
ïîäêðàøåííûõ âîäíûõ êàïåëü â ðåçóëüòàòå îäíîâðåìåííîãî ïîãëîùåíèÿ íåñêîëüêèõ ôîòîíîâ âîçäåéñòâóþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ [2]. Èñõîäÿ èç
ïðèâåäåííûõ â [12] ðåçóëüòàòîâ òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà äàííîãî ïðîöåññà, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ïðè÷èíà òàêîãî óãëîâîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî
ñâåòà îáóñëîâëåíà ñàìîé ìîðôîëîãèåé æèäêîé ÷àñòèöû, èìåþùåé áëèçêóþ ê ñôåðè÷åñêîé ôîðìó ïîâåðõíîñòè è îêàçûâàþùåé ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå
íà ïàäàþùåå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ïëàçìåííûå îáëàñòè, ÿâëÿþùèåñÿ èñòî÷íèêàìè
«áåëîãî» ñâåòà, ñîñðåäîòî÷èâàþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî
â òåíåâîé ïîëóñôåðå êàïëè. Ýòî äåëàåò ñâå÷åíèå
êàïëè íàïðàâëåííûì íàçàä (òàê íàçûâàåìûé,
«ïðîæåêòîðíûé» òèï èçëó÷åíèÿ ïî òåðìèíîëîãèè
[12]), à ïî õîäó äåéñòâèÿ âîçáóæäàþùåãî ïó÷êà
íàáëþäàåòñÿ èçëó÷åíèå â øèðîêèé êîíóñ.
Âòîðîé èç ðàññìàòðèâàåìûõ ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíîâ çàêëþ÷àåò â ñåáÿ îñíîâíóþ ìîùíîñòü ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, ýòî âèäíî ïî èçìåíåíèþ øêàëû îñè îðäèíàò íà ðèñ. 3, á. Äèàãðàììà ðàññåÿíèÿ
ïî óãëó çäåñü ðåçêî íåîäíîðîäíàÿ ñ àáñîëþòíûì
ìàêñèìóìîì ñèãíàëà â íàïðàâëåíèè 310°. Íåñêîëüêî ìåíüøèé ïî âåëè÷èíå ìàêñèìóì íàáëþäàåòñÿ
ïîä óãëîì 330°, à ðàññåÿíèå âïåðåä è íàçàä ïðîèñõîäèò ïðèáëèçèòåëüíî ñ ðàâíîé èíòåíñèâíîñòüþ.
Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò îêàçàëñÿ íåñêîëüêî íåîæèäàííûì, ïîñêîëüêó àïðèîðè ïðåäïîëàãàëîñü,
÷òî äëÿ îïòè÷åñêè êðóïíîé ñôåðû (a0 á λ0) ìàêñè-
Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð.
ìóì ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ â ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå èñõîäíîãî èçëó÷åíèÿ áóäåò íàõîäèòüñÿ â íàïðàâëåíèè, ñîâïàäàþùåì ñ íàïðàâëåíèåì äåéñòâèÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà, ò.å. âïåðåä (θ 360°).  ñâÿçè ñ ýòèì
íàìè áûëà èññëåäîâàíà ñïåêòðàëüíàÿ øèðèíà ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ Dλ, çàâèñèìîñòü êîòîðîé îò
óãëà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.
α1
θ
α2
n0
120 Dλ, íì
110
100
90
80
Ðèñ. 5. Ñõåìà ïàäåíèÿ ïó÷êà ñâåòîâûõ ëó÷åé íà ñôåðè÷åñêóþ ÷àñòèöó
70
60
50
40
30
20
Ëàçåð
200 220 240 260 280 300 320 340 360
θ, ãðàä
Ðèñ. 4. Øèðèíà ñïåêòðà ðàññåÿííîãî îò êàïëè a0 ≈ 1,5 ìì
èçëó÷åíèÿ â äèàïàçîíå 600–1100 íì â çàâèñèìîñòè îò
óãëà ïðèåìà. Øòðèõîâàÿ ïðÿìàÿ – ñïåêòðàëüíàÿ øèðèíà
ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ
Ïàðàìåòð Dλ ðàññ÷èòûâàëñÿ êàê ïîëíàÿ ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêàÿ øèðèíà ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ (ñì. ðèñ. 1) â äèàïàçîíå äëèí âîëí 600–1100 íì.
Îêàçàëîñü, ÷òî ïîä óãëîì ìàêñèìóìà àìïëèòóäû ðàññåÿíèÿ (310°) ðåàëèçóåòñÿ è íàèáîëüøàÿ øèðèíà ñïåêòðà. Äðóãèìè ñëîâàìè, â äàííîì íàïðàâëåíèè ñàìîâîçäåéñòâèå ëàçåðíîãî èìïóëüñà âíóòðè
âîäíîé ÷àñòèöû, ïðèâîäÿùåå ê åãî øèðîêîìàñøòàáíûì ñïåêòðàëüíûì òðàíñôîðìàöèÿì, ïðîòåêàåò
íàèáîëåå ýôôåêòèâíî. Î÷åâèäíî, ÷òî â äàííîì íàïðàâëåíèè è ðàñïîëàãàåòñÿ îñü ïó÷êà íà âûõîäå èç
êàïëè.
Ýòîò ôàêò ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, åñëè äîïóñòèòü, ÷òî âî âðåìÿ èçìåðåíèé ëàçåðíûé ïó÷îê îñâåùàë êàïëþ íå â åå ãåîìåòðè÷åñêèé öåíòð, à áûë
ñìåùåí áëèæå ê êðàþ (ðèñ. 5). Âåëè÷èíó ýòîãî
ñìåùåíèÿ ìîæíî îöåíèòü, âîñïîëüçîâàâøèñü ïðèáëèæåíèåì ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè.
Ðàñ÷åòíûé äèàìåòð ôîêóñèðîâàííîãî âîçäåéñòâóþùåãî ïó÷êà â çîíå ðàñïîëîæåíèÿ âîäíîé ÷àñòèöû ðàâíÿëñÿ ∼ 600 ìêì, ò.å. ïëîùàäü ñâåòîâîãî ïÿòíà ñîñòàâëÿëà âñåãî îêîëî 5% ïî îòíîøåíèþ
ê ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ êàïëè è îñâåùåíèå
÷àñòèöû ìîæíî ñ÷èòàòü ïðàêòè÷åñêè òî÷å÷íûì.
 ðàìêàõ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè íàèáîëüøóþ
èíòåíñèâíîñòü èìååò ñâåòîâîé ëó÷, èñïûòàâøèé
òîëüêî äâà ïðåëîìëåíèÿ íà îñâåùåííîé è òåíåâîé
ïîâåðõíîñòÿõ êàïëè. Óãîë âûõîäà θ ýòîãî ëó÷à (êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò îñè ïó÷êà), ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî
ñëåäóþùåé ôîðìóëå: θ = α1 + 2(180 – α2). Çäåñü α1
è α2 – óãëû ïàäåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî, ñâÿçàííûå çàêîíîì Ñíåëëèóñà: sinα1 = n0sinα2,
ãäå n0 – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ âîäû.
Íåñëîæíûé ðàñ÷åò ïðè n0 = 1,33, θ = 310° äàåò
èñêîìîå çíà÷åíèå óãëà ïàäåíèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à
α1 65°, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò åãî ñìåùåíèþ îò öåíòðà
ñôåðû ê êðàþ íà 0,9 åå ðàäèóñà. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ
âïîëíå ìîãëà ðåàëèçîâàòüñÿ â îáñóæäàåìûõ ýêñïåðèìåíòàõ, ïîñêîëüêó êîíòðîëèðîâàòü âçàèìíîå ïîëîæåíèå ëàçåðíîãî ïó÷êà è êàïëè áûëî çàòðóäíèòåëüíî.
Îáðàòèìñÿ âíîâü ê ïðèâåäåííûì íà ðèñ. 2
ñïåêòðàì ðàññåÿííîãî êàïëåé èçëó÷åíèÿ è ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå îäèí èç âîçìîæíûõ ôèçè÷åñêèõ
ìåõàíèçìîâ èõ óøèðåíèÿ, ñâÿçàííûé ñ ôàçîâîé
ñàìîìîäóëÿöèåé ëàçåðíîãî èìïóëüñà, ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ÷åðåç âîäíóþ ÷àñòèöó.
Îïòè÷åñêèé ýôôåêò Êåððà, êàê èçâåñòíî, ÿâëÿåòñÿ ïåðâîïðè÷èíîé ñàìîôîêóñèðîâêè ìîùíîãî
ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ, âêëþ÷àÿ
è æèäêîñòè. Ïî ìåðå ñâîåãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèå âûçûâàåò íåëèíåéíîå èçìåíåíèå ïîëÿðèçóåìîñòè ìîëåêóë ñðåäû, ÷òî âûðàæàåòñÿ â ïîÿâëåíèè
ëèíåéíîé çàâèñèìîñòè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ îò
èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâîé âîëíû, èñêàæåíèé åå ôàçîâîãî ôðîíòà è, êàê ñëåäñòâèå, óøèðåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà.
Ïðè ìãíîâåííîì õàðàêòåðå êåððîâñêîé íåëèíåéíîñòè (ýòî ïðèáëèæåíèå ñïðàâåäëèâî äëÿ áîëüøèíñòâà êîíäåíñèðîâàííûõ ñðåä) óøèðåíèå ãàóññîâñêîãî ïî âðåìåíè ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðîèñõîäèò ðàâíîìåðíî â ñòîêñîâó è àíòèñòîêñîâó îáëàñòè
ñïåêòðà. Ïðîãðåññèðóþùåå çà ñ÷åò ñàìîôîêóñèðîâêè óâåëè÷åíèå èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà
ìîæåò ïðèâåñòè ê ôîòîèîíèçàöèè ñðåäû è ïîÿâëåíèþ ïëàçìû. Ôîðìèðóþùèéñÿ ïðè ýòîì ãàç ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ìåíÿåò îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà
ñðåäû è ñòðåìèòñÿ ïîíèçèòü åå êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ. Áëàãîäàðÿ âðåìåííîé èíåðöèîííîñòè
ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ ãëàâíûì îáðàçîì èñêàæàåòñÿ
çàäíÿÿ ÷àñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà è âîçíèêàåò äîïîëíèòåëüíîå óøèðåíèå ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ â «ñèíþþ» îáëàñòü.
Äëÿ îöåíêè âåëè÷èíû íàêàïëèâàþùèõñÿ èñêàæåíèé ñïåêòðà ìîùíîãî ëàçåðíîãî èìïóëüñà çà ñ÷åò
åãî ñàìîâîçäåéñòâèÿ âíóòðè âîäíîé ÷àñòèöû áûë
âûïîëíåí ñîîòâåòñòâóþùèé ÷èñëåííûé ýêñïåðèìåíò.
Äëÿ óïðîùåíèÿ ðàñ÷åòîâ êàïëÿ áûëà çàìåíåíà ýêâèâàëåíòíûì ïî òîëùèíå ñëîåì âîäû ïðîòÿæåííîñòüþ
d = 2a0 (a0 = 1,5 ìì), à ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå
Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè…
651
ñôåðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà «êàïëÿ–âîçäóõ»
ìîäåëèðîâàëîñü âíåøíåé ôîêóñèðîâêîé ïàäàþùåãî
íà âîäíûé ñëîé èçëó÷åíèÿ, ò.å. ïàðàáîëè÷åñêèì
ôàçîâûì ôðîíòîì âîëíû ñ ðàäèóñîì êðèâèçíû
f = d. Äèàìåòð ãàóññîâñêîãî ëàçåðíîãî ïó÷êà â ðàñ÷åòàõ ðàâíÿëñÿ 600 ìêì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà
ñîñòàâëÿëà 40 ôñ (øèðèíà ñïåêòðà Dλ = 30 íì),
ïîëíàÿ ýíåðãèÿ E0 = 0,9 ìÄæ. Ïðè ýòîì ïèêîâàÿ
èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ I0 íà ïåðåäíåé ïîâåðõíîñòè âîäíîãî ñëîÿ äîñòèãàëà 4,5 ⋅ 1012 Âò/ñì2.
×èñëåííî ðåøàëîñü íåëèíåéíîå óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà äëÿ ìåäëåííî ìåíÿþùåéñÿ êîìïëåêñíîé
àìïëèòóäû ñâåòîâîé âîëíû ïðè òèïè÷íûõ çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðîâ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè âîäû [13].
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ äèíàìèêè íîðìèðîâàííîé íà
íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîé øèðèíû
ñïåêòðà èìïóëüñà Dλ = Dλ (z) Dλ (z = 0) â çàâèñèìîñòè
îò ïðîäîëüíîé êîîðäèíàòû z âíóòðè ñëîÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 6. Çäåñü æå ïðèâåäåíà è ïèêîâàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ïëàçìû Ne, âîçíèêàþùåé â âîäå ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
_
8 Dλ
_
Ne, ì–3
E
1,0
1
0,8
6
1026
0,6
0,4
4
1
1025
0
1
z, ìì
2
3
1024
2
2
0
1027
1
2
z, ìì
1023
140
1022
120
Ðèñ. 6. Íîðìèðîâàííàÿ ïîëóøèðèíà ñïåêòðà Dλ (1) è ïèêîâàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ Ne (2) ïðè ñàìîâîçäåéñòâèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà â âîäå â çàâèñèìîñòè îò
äèñòàíöèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Íà âñòàâêå ïðèâåäåíà íîðìèðîâàííàÿ íà íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ýíåðãèÿ E = E (z) E0
èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ
Êàê âèäíî, â ðåçóëüòàòå ôàçîâîé ñàìîìîäóëÿöèè â ñëîå âîäû ëàçåðíûé èìïóëüñ ñïåêòðàëüíî
óøèðÿåòñÿ, ïðè÷åì ýòî óøèðåíèå ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû ñîïîñòàâèìî ñ ðåãèñòðèðóåìûì â ýêñïåðèìåíòå çíà÷åíèåì ïîä óãëîì ìàêñèìóìà ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ (ñì. ðèñ. 4 äëÿ θ = 310°). Çàìåòíîå óøèðåíèå
ñïåêòðà èìïóëüñà íà÷èíàåòñÿ óæå ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ èì ïðèìåðíî ÷åòâåðòè äèàìåòðà êàïëè è âîçðàñòàåò ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ äèñòàíöèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Êîëè÷åñòâåííîå îòëè÷èå â çíà÷åíèÿõ ñïåêòðàëüíîãî óøèðåíèÿ â òåîðèè è ýêñïåðèìåíòå
îáúÿñíÿåòñÿ, íà íàø âçãëÿä, äîñòàòî÷íî óïðîùåííîé ìîäåëüþ âîäíîé êàïëè, èñïîëüçîâàííîé â ðàñ÷åòàõ, êîòîðàÿ íå ó÷èòûâàåò ðåàëüíóþ òðàåêòîðèþ
ñâåòîâûõ ïîòîêîâ âíóòðè îñâåùåííîé â êðàé ñôåðè÷åñêîé ÷àñòèöû. Îòìåòèì, ÷òî óæå ïðîñòîå ñíèæåíèå îñòðîòû ôîêóñèðîâêè ëàçåðíîãî ïó÷êà ïóòåì
652
ïîâûøåíèÿ ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ f «âèðòóàëüíîé
ëèíçû» â 2 ðàçà óìåíüøàåò ïî÷òè íà 40% ôèíàëüíîå çíà÷åíèå Dλ .
Åñëè ãîâîðèòü î ïàðàìåòðàõ âîçíèêàþùåé
â êàïëå ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñà ïëàçìû, òî èç
ðèñ. 6 ñëåäóåò, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, ãåíåðèðóåìûõ â âîäå â ðåçóëüòàòå åå ôîòîèîíèçàöèè óæå íà ïåðåäíåé ãðàíèöå
ìîäåëüíîé âîäíîé ñðåäû, èìååò çíà÷åíèå, õàðàêòåðíîå äëÿ ôèëàìåíòàöèè ñâåòîâîãî ïó÷êà [13].
Ïðè ýòîì ïîïåðå÷íûé ðàçìåð îáðàçóþùåãîñÿ íà îñè
ïó÷êà ïëàçìåííîãî êàíàëà, êàê ñëåäóåò èç ðàñ÷åòîâ
(íå ïîêàçàíû çäåñü), ñîñòàâëÿåò âñåãî íåñêîëüêî
ìèêðîìåòðîâ. Ïîýòîìó ïëàçìà ïîíà÷àëó íå âíîñèò
êàêèõ-ëèáî ìàñøòàáíûõ èçìåíåíèé â ñïåêòðàëüíûå
è ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ.
Áëèæå ê äàëüíåé ãðàíèöå ñëîÿ æèäêîñòè, ãäå
ðàñïîëàãàåòñÿ ôîêàëüíàÿ ïåðåòÿæêà ïó÷êà, çíà÷åíèÿ Ne äîñòèãàþò óæå ∼ 1026–1027 ì–3, ÷òî ãîâîðèò
î ðåàëèçàöèè çäåñü óñëîâèé äëÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ
âîäû. Â ýòîé çîíå ñòàíîâÿòñÿ ñóùåñòâåííûìè ïîòåðè ýíåðãèè E ñâåòîâîãî èìïóëüñà, ñâÿçàííûå ñ ïëàçìîîáðàçîâàíèåì (ñì. âñòàâêó ê ðèñ. 6), à ñïåêòð
èçëó÷åíèÿ îáîãàùàåòñÿ.
 çàêëþ÷åíèå ïðèâåäåì åùå îäèí ãðàôèê, ïîñòðîåííûé ïî ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì, êîòîðûé
íàãëÿäíî èëëþñòðèðóåò òî, êàê äèñòàíöèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ â æèäêîñòè âëèÿåò íà åãî
ñïåêòðàëüíóþ øèðèíó. Ðèñ. 7 ïîêàçûâàåò çàâèñèìîñòü ïàðàìåòðà Dλ, èçìåðåííîãî ïîä óãëîì ðàññåÿíèÿ 360°, îò ñðåäíåãî ðàäèóñà ïîäâåøåííîé âîäíîé êàïëè.
Dλ, íì
100
80
60
1,0
1,5
a0, ìì
Ðèñ. 7. Ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêàÿ øèðèíà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ,
ðàññåÿííîãî ïîä óãëîì 360° îò âîäíûõ êàïåëü ðàçëè÷íîãî
ðàäèóñà. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè ñîåäèíåíû îòðåçêàìè
äëÿ íàãëÿäíîñòè
Óæå èç ïðîñòîãî àíàëèçà îäíîìåðíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ãàðìîíè÷åñêîé ñâåòîâîé âîëíû â ñðåäå
ñ íåëèíåéíîñòüþ ñëåäóåò, ÷òî èçìåíåíèå ÷àñòîòû
òàêîé âîëíû δω(z, t) íà äèñòàíöèè z îïðåäåëÿåòñÿ
÷åðåç âðåìåííóþ ïðîèçâîäíóþ îò íåëèíåéíîé ôàçû
âîëíû ϕN [14]: δω(z, t) = ∂ϕN(z, t)/∂t. Â óñëîâèÿõ
ïðåîáëàäàíèÿ â ñðåäå ýôôåêòîâ êåððîâñêîé ñàìîôîêóñèðîâêè è ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ, êîãäà ñâåòîâîé
ïó÷îê ôèëàìåíòèðóåòñÿ è âíóòðè íåãî ôîðìèðóåòñÿ
êâàçèïîñòîÿííûé ïî ïèêîâîé èíòåíñèâíîñòè è ïîïåðå÷íîìó ðàçìåðó ñâåòîâîé êàíàë, íåòðóäíî ïîêàçàòü [15], ÷òî ýôôåêòèâíàÿ øèðèíà ñïåêòðà òàêîãî
Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð.
èçëó÷åíèÿ áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà äëèíå ó÷àñòêà
ôèëàìåíòàöèè, ò.å. â ðàññìàòðèâàåìîì çäåñü ñëó÷àå
äèàìåòðó êàïëè: Dλ ∝ (2a0)∂nN/∂t, ãäå nN – çàâèñÿùàÿ îò ïàðàìåòðîâ èçëó÷åíèÿ è îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñðåäû íåëèíåéíàÿ äîáàâêà ê êîýôôèöèåíòó ïðåëîìëåíèÿ. Èìåííî òàêàÿ çàâèñèìîñòü
è ïðîñëåæèâàåòñÿ íà ðèñ. 7.
 öåëîì, èñõîäÿ èç àíàëèçà ïðåäñòàâëåííûõ
äàííûõ, ìîæíî ñ âûñîêîé âåðîÿòíîñòüþ çàêëþ÷èòü,
÷òî îñíîâíîé ïðè÷èíîé øèðîêîìàñøòàáíîãî èçìåíåíèÿ ñïåêòðà ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðè åãî ðàññåÿíèè íà ìèëëèìåòðîâîé âîäíîé êàïëå ÿâëÿåòñÿ ñàìîìîäóëÿöèÿ ôàçû èçëó÷åíèÿ âñëåäñòâèå îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè æèäêîñòè çà ñ÷åò ýôôåêòà
Êåððà è ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ. Ñïåêòðàëüíîå óøèðåíèå ðàññåÿííîãî íà ìèëëèìåòðîâîé êàïëå âîäû èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì çà èñêëþ÷åíèåì, ìîæåò áûòü, òîëüêî íàïðàâëåíèÿ íàçàä, è õàðàêòåðèçóåòñÿ ìàêñèìóìîì ïîä
óãëîì 50° ê íàïðàâëåíèþ ïàäåíèÿ ïó÷êà íà êàïëþ.
Ïî îòíîøåíèþ ê öåíòðàëüíîé äëèíå âîëíû
ñïåêòðàëüíîå óøèðåíèå ïðîòåêàåò äîñòàòî÷íî ñèììåòðè÷íî â îáëàñòè êîðîòêèõ è äëèííûõ âîëí, ÷òî
ñâèäåòåëüñòâóåò î ïðåîáëàäàþùåé ðîëè â ïðîöåññå
ñïåêòðàëüíûõ òðàíñôîðìàöèé èçëó÷åíèÿ ýôôåêòà
Êåððà. Âêëàä «ïëàçìåííîé» ñîñòàâëÿþùåé â íåëèíåéíóþ ïîëÿðèçóåìîñòü âîäû è, ñëåäîâàòåëüíî,
â ôàçîâóþ ñàìîìîäóëÿöèþ ëàçåðíîãî èìïóëüñà âûðàæåí çíà÷èòåëüíî ñëàáåå, à íàëè÷èå î÷àãîâ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ æèäêîñòè ïðîÿâëÿåòñÿ â îñíîâíîì
â ïîÿâëåíèè øèðîêîïîëîñíîãî è ïðàêòè÷åñêè èçîòðîïíîãî ñâå÷åíèÿ êàïëè â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Óâåëè÷åíèå ðàçìåðà âîäíîé ÷àñòèöû ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ ñîïðîâîæäàåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì óøèðåíèåì ñïåêòðà íàáëþäàåìîãî ðàññåÿííîãî
èçëó÷åíèÿ, ïî êðàéíåé ìåðå â ïîïóòíîì ïàäàþùåìó
èçëó÷åíèþ íàïðàâëåíèè.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ÷àñòè÷íîé ôèíàíñîâîé
ïîääåðæêå ÐÔÔÈ (ãðàíò ¹ 09-05-00738à), Ôåäåðàëüíîãî àãåíòñòâà ïî îáðàçîâàíèþ (Ãîñ. êîíòðàêò
¹ Ï367), Ìèíèñòåðñòâà îáðàçîâàíèÿ è íàóêè (Ãîñ.
êîíòðàêò ¹ Ï567), Ôåäåðàëüíîãî àãåíòñòâà ïî íàóêå è èííîâàöèÿì (Ãîñ. êîíòðàêò ¹ 02.740.11.0083,
¹ 02.740.11.0226), Èíòåãðàöèîííîãî ïðîåêòà ¹ 81
ÑÎ ÐÀÍ è ÄÂÎ ÐÀÍ (ãðàíò ¹ 09-II-ÑÎ-02-001),
Ïðîåêòà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ÐÀÍ
¹ 9.1, Ïðîãðàììû 8.1 ÎÔÍ ÐÀÍ è Ëàâðåíòüåâñêîãî ãðàíòà ÑÎ ÐÀÍ.
1. Kasparian J., Wolf J.-P. A new transient SRS analysis
method of aerosols and application to a nonlinear femtosecond lidar // Opt. Commun. 1998. V. 152, iss. 4–6.
P. 355–360.
2. Hill S.C., Boutou V., Yu J., Ramstein S., Wolf J.-P.,
Pan Y.-L., Holler S., Chang R.K. Enhanced-backward
directed multi-photon-excited fluorescence from dielectric microcavities // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85, N 1.
Ð. 54–57.
3. Pan Y.-L., Hill S.C., Wolf J.-P., Holler S., Chang R.K.,
Bottiger J.R. Backward enhanced fluorescence from
clusters of microspheres and particles of tryptophan //
Appl. Opt. 2002. V. 41, N 15. P. 2994–2999.
4. Huang H.C., Pan Y.-L., Hill S.C., Pinnick R.G.,
Chang R.K. Real-time measurement of dual-wavelength
laser-induced fluorescence spectra of individual aerosol
particles // Opt. Express. 2008. V. 16, N 21.
P. 16523–16528.
5. Kasparian J., Krämer B., Leisner T., Rairoux P., Boutou V., Vezin B., Wolf J.-P. Size dependence of nonlinear Mie scattering in microdroplets illuminated by ultrashort pulses // J. Opt. Soc. Amer. 1998. V. 15, N 7.
P. 1918–1922.
6. Flettner A., Pfeifer T., Walter D., Winterfeldt C.,
Spielmann C., Gerber G. High-harmonics generation
and plasma radiation from water microdroplets //
Appl. Phys. B. 2003. V. 77, N 8. P. 747–751.
7. Favre C., Boutou V., Hill S.C., Zimmer W., Krenz M.,
Lambrecht H., Yu J., Chang R.K., Woeste L., Wolf J.-P.
White-light nanosource with directional emission //
Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89, N 3. 035002-1–035002-4.
8. Lindinger A., Hagen J., Socaciu L.D., Bernhardt T.M.,
Wöste L., Duft D., Leisner T. Time-resolved explosion
dynamics of H2O droplets induced by femtosecond laser
pulses // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 27. P. 5263–5269.
9. Àïåêñèìîâ Ä.Â., Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý.,
Ãîëèê Ñ.Ñ., Çåìëÿíîâ À.À., Çåìëÿíîâ Àë.À., Èëüèí À.À., Êàáàíîâ À.Ì., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Îøëàêîâ Â.Ê., Ñîêîëîâà Å.Á. Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ
ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ æèäêèìè ñðåäàìè. ×àñòü 1.
Âçðûâíîå âñêèïàíèå êðóïíûõ èçîëèðîâàííûõ âîäíûõ
êàïåëü // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà. 2010. Ò. 23,
¹ 7. Ñ. 536–542.
10. Geints Y.E., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Zemlyanov A.A., Golik S.S., Bukin O.A.
Broadband emission spectrum dynamics of large water
droplets exposed to intense ultrashort laser radiation //
Opt. Lett. 2010. V. 35, N 16. P. 2717–2719.
11. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spectrum_of_
halophosphate_type_fluorescent_bulb_(f30t12_ww_rs).png
12. Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À., Ïàíèíà Å.Ê. Ìîäåëèðîâàíèå ìíîãîôîòîííî âîçáóæäåííîé ôëóîðåñöåíöèè
ñôåðè÷åñêîé êàïëè, îáëó÷åííîé óëüòðàêîðîòêèì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, ñ ïîìîùüþ ìåòîäà âû÷èñëèòåëüíîé ýëåêòðîäèíàìèêè // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà.
2010. Ò. 23, ¹ 12. Ñ. 1120–1126.
13. Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À. Ôèëàìåíòàöèÿ ìîùíîãî
óëüòðàêîðîòêîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â âîçäóõå è â
âîäå. Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç // Êâàíò. ýëåêòðîí.
2010. Ò. 40, ¹ 2. Ñ. 121–126.
14. Àõìàíîâ Ñ.À., Âûñëîóõ Â.À., ×èðêèí À.Ñ. Îïòèêà
ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ. Ì.: Íàóêà, 1988. 312 ñ.
15. Áàãàåâ Ñ.Í., Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À., Êàáàíîâ À.Ì., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Ïåñòðÿêîâ Å.Â., Ñòåïàíîâ À.Í., Òðóíîâ Â.È. Ëàáîðàòîðíûå è ÷èñëåííûå
ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîõîæäåíèþ ìîùíîãî ëàçåðíîãî
ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ ÷åðåç âîçäóøíóþ è êàïåëüíóþ ñðåäû // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà. 2007.
Ò. 20, ¹ 5. Ñ. 413–418.
Î.À. Bukin, Å.Å. Bykova, Yu.E. Geints, S.S. Golik, À.À. Zemlyanov, À.À. Il’in, À.Ì. Kabanov,
G.G. Matvienko, V.K. Oshlakov, Å.B. Sokolova, R.R. Khabibullin. Interaction of GW laser pulses with
liquid media. Part 2. Spectral and angular characteristics of scattering on millimeter-size water droplets.
The results of experiments on femtosecond GW laser pulse interaction with isolated millimeter sizes water
droplets are presented. The temporal and spatial dynamics of optical breakdown in the volume of a liquid particle is investigated. Angular distribution of spectral characteristics of a water droplet emission is investigated.
Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè…
653
Скачать