Фемтосекундное лазерное излучение в атмосфере

Фемтосекундный лазер находит все большее применение в науке и технологиях, в том числе в атмосферных исследованиях. Высокая мощность (вплоть до петаваттного уровня) и малая длительность лазерных импульсов (до десятков фемтосекунд) приводят к явлению самофокусировки и многофотонной ионизации воздуха. В воздухе возникает каналирование излучения очень высокой интенсивности в виде отдельных или связки жгутов протяженностью в десятки и сотни метров. Эти световые каналы-филаменты преобразуют исходное лазерное излучение в широкоспектральное – в квазибелый свет. Импульс такого когерентного квазибелого света является перспективным источником для лазерного зондирования газового и аэрозольного состава атмосферы, мониторинга окружающей среды, включая водные среды. Это доказали первые опыты, проведенные за рубежом, и отечественные теоретические разработки.

Первые российские эксперименты по филаментации фемтосекундного лазерного излучения в реальной атмосфере на дистанции в 85 метров были проведены в 2008–2009 годах учеными Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (д.ф-м.н. Г.Г. Матвиенко, д.ф-м.н. А.А. Землянов, к.ф-м.н. А.М. Кабанов, к.ф-м.н. Д.В. Апексимов, к.ф-м.н. В.К. Ошлаков) и Института прикладной физики РАН (д.ф-м.н. А.Н. Степанов) в рамках программы Президиума РАН «Экстремальные световые поля и их приложения». Было показано, что с помощью управления параметрами фемтосекундного лазерного импульса возможно осуществить филаментацию лазерного пучка в планируемом месте атмосферной трассы. Данные опыты имеют большое значение для создания лазерных локаторов (лидаров) нового поколения.

Для уверенного прогнозирования распространения фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере на более длительные дистанции, чем те, которые были в эксперименте, потребовалось проведение целенаправленных экспериментов в строго контролируемых лабораторных условиях как по физике образования филаментов, так и по изучению их свойств. В 2009–2010 годах в рамках программы РАН учеными ИОА СО РАН (д.ф-м.н. А.А. Землянов, д.ф-м.н. Ю.Э. Гейнц) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (д.ф.-м.н. А.А Ионин, к.ф.-м.н. Л.В. Селезнев, к.ф.-м.н. С.И. Кудряшов) осуществлен цикл экспериментальных и теоретических исследований по управлению характеристиками филамента (поперечным и продольным размерами, максимальной интенсивностью светового поля, концентрацией электронов в плазме) путем варьирования параметрами фемтосекундного лазерного излучения (мощностью, степенью фокусировки). Этот цикл работ был также направлен на выяснение тех вопросов, ответы на которые не были получены в течение более чем сорокалетней истории изучения явления самофокусировки.

Сотрудниками ИОА СО РАН д.ф.-м.н. А.А. Земляновым и д.ф.-м.н. Ю.Э. Гейнцем было установлено существование перехода от режима сверхдифракционной фокусировки (т.е. когда вблизи фокуса линзы прорастает световой канал – филамент с поперечным размером меньшим, чем радиус дифракционного пятна в фокусе линзы) в режим ограниченной плазменными неоднородностями фокусировки. Ранее считалось, что в условиях жесткой фокусировки лазерного излучения не возникает каналирования излучения вследствие его самофокусировки вблизи фокуса линзы. В работе было доказано, что вблизи фокуса линзы для мощного фемтосекундного лазерного импульса возникает световой канал, продольный размер которого всегда превышает размер фокальной перетяжки. В совместной работе ИОА СО РАН и ФИАН получены полные соответствия теоретических и экспериментальных зависимостей параметров филаментов от параметров фокусированного фемтосекундного лазерного импульса. Совместная работа ученых ИОА СО РАН и ФИАН доказала, что возможно создавать световые и плазменные филаменты с различными физическими свойствами в широком диапазоне физических параметров, что является важным для задач фотоники и атмосферной оптики.

Александр ЗЕМЛЯНОВ,

д.ф.-м.н, зав., лабораторией

нелинейно-оптических взаимодействий ИОА СО РАН.