Группа ученых из Физического института Академии наук, Московского физико-технического института и Московского государственного университета представила исследование, посвященное процессу филаментации лазерного излучения — эффекту, при котором проходящий через воздух луч лазера стягивается в узкий жгут. Исследователи выяснили, как на этот процесс влияет предварительное прохождение луча через кварцевое стекло; их работа относится к так называемой нелинейной оптике.
Что такое нелинейная оптика?
Свет распространяется по прямой, его лучи могут отражаться или отклоняться в стороны только там, где свойства среды меняются. Так работает обычная, или линейная, оптика. Ее называют линейной потому, что возникающее при прохождении света в материале разделение электрических зарядов линейно зависит от напряженности поля в самой световой волне. Проще говоря, чем сильнее электрическое поле, тем сильнее расходятся внутри материала разноименные заряды — материал поляризуется.
Поляризуемость материала нельзя путать с поляризацией света. Поляризуемость характеризует то, насколько расходятся положительные и отрицательные заряды в веществе, а вот поляризацией называют наличие у электромагнитной волны определенного направления, в котором колеблется электрическое поле.
На иллюстрации показана электромагнитная волна. E — вектор электрического поля, а B — магнитного, эти поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу. Буквой λ обозначена длина волны, расстояние между двумя ближайшими точками с одинаковой конфигурацией поля (в одинаковой фазе). Рисунок: P.wormer / Wikimedia
Обычный свет представляет собой смесь волн с разной поляризацией, а лазеры, как правило, дают поляризованное излучение, набор одинаково ориентированных волн.
Однако если свет очень сильный, то его воздействие на материал уже не описывается этими простыми правилами. На микроскопическом уровне меняется картина смещения электрических зарядов в веществе под действием электромагнитного поля, а на привычных масштабах со светом начинают происходить странные вещи. Лучи, вместо того, чтобы расходится в разные стороны и рассеиваться, сами собой собираются в узкие жгуты или, как говорят оптики, филаменты. Свет даже может заставить вещество светиться другим цветом — этот эффект известен как генерация суперконтинуума (то есть света белого цвета, в котором смешан свет разных цветов) и гармоник.
Генерация суперконтинуума на примере оптоволокна, через которое пропускают инфракрасные импульсы. Фото: Dimitris Papadopoulos / Wikimedia
Достаточную для нелинейных эффектов силу света (точнее — интенсивность излучения) дают только лазеры. Когда эти источники света были созданы, нелинейная оптика стала бурно развиваться, но далеко не все нелинейно-оптические эффекты хорошо изучены по сей день. В частности, с шестидесятых годов активно исследуются и достаточно хорошо изучены филаменты, но полной теории, описывающей их характеристики в разных условиях, до сих пор нет.
На появление филаментов влияют состав атмосферы, интенсивность излучения, длина волны, поляризация и множество других факторов. Реальные оптические устройства обычно состоят из множества разных элементов, и каждый из них — зеркала, линзы, даже простые стеклянные пластинки — может довольно существенно менять картину. Новое исследование, о котором пойдет речь ниже, ученые посвятили процессу филаментации лазерного излучения.
Эксперимент и результаты
Нелинейные оптические эффекты возможно изучать только при очень больших значениях интенсивности. Настолько больших, что получить их можно лишь при мощности порядка гигаватта — соответственно, для экспериментального исследования необходимо получить очень короткий импульс. Ведь если импульс с суммарной энергией в 2,2 миллиджоуля сжать до ста фемтосекунд (10-13 секунды), то мощность излучения составит свыше двадцати гигаватт.
А если еще и сфокусировать луч в пятнышко диаметром три миллиметра, получится интенсивность на порядки выше интенсивности света вблизи поверхности Солнца — наше светило дает «всего» около 20 мегаватт на квадратный метр.
Чем отличается яркость от интенсивности и светимости? Яркость показывает то, сколько света испускает предмет в определенном направлении. Светимость — сколько всего испускает света источник во все стороны. А интенсивность — это сколько энергии переносят электромагнитные волны в единицу времени на единицу площади.
Указанные в предыдущем абзаце числа характеризуют эксперимент, проведенный учеными из МГУ, ФИАН и МФТИ. Экспериментальная группа под руководством руководителя лаборатории газовых лазеров Андрея Ионина в составе Дарьи Мокроусовой, Леонида Селезнева, Елены Сунчугашевой и Анны Шустиковой использовала импульсный титан-сапфировый лазер.
.jpg "Генерация суперконтинуума в кварцевой пластинке - инфракрасный импульс превращается в видимый и проецируемый на экран свет. Изображение авторов исследования.")
Генерация суперконтинуума в кварцевой пластинке — инфракрасный импульс превращается в видимый и проецируемый на экран свет. Изображение авторов исследования.
Луч фокусировали при помощи сферического зеркала, пропускали через пластину из кварцевого стекла и направляли в сторону двух кольцевых электродов, на которые было подано напряжение в 300 вольт. Когда лазерный импульс ионизировал воздух, между электродами начинал протекать ток, и таким образом физики могли судить о появлении плазменных сгустков под действием собравшегося в филамент света.
Проанализировав форму и размеры получившегося филамента, исследователи заменили кварцевую пластину, через которую проходил свет перед фокусировкой. Выяснилось, что изменение толщины прозрачной пластинки влияет не только на длину плазменного канала, но и на положение того места, где он образуется. При фокусировке лазерного пучка линзой с фокусным расстоянием 230 см в отсутствие кварцевой пластины лазерный луч собирается на расстоянии 150 см, пластинка в 4,5 мм приближает начало плазменной нити на 40 см, а при увеличении толщины пластинки до 10,5 мм расстояние до начала плазмы уменьшается почти до 85 см. При этом длина полученной плазмы увеличивается при увеличении толщины кварцевой пластинки.
Лазерный филамент, полученный в лаборатории газовых лазеров ФИАН. Изображение авторов исследования.
Численное моделирование эксперимента, проведенное научной группой МГУ, состоящей из Валерия Кандидова, Святослава Шленова и Александра Дергачева, показало хорошее согласие с проведенным экспериментом. Детальная информация о поведении лазерных филаментов опубликована физиками в журнале Laser Physics Letter.
Зачем это нужно?
Ранее в лаборатории газовых лазеров ФИАН было показано, что подобные лазеры можно применять для самых разных задач, начиная от маркировки алмазов и заканчивая медицинскими операциями — сжатый в тонкий филамент луч позволяет более точно воздействовать на различные материалы. Однако любая реальная оптическая система практически никогда не состоит из одного лишь лазера: в ней могут быть зеркала, линзы и прозрачные окошки, закрывающие технологическую емкость для обработки материала.
Новое исследование показало, что даже прозрачная пластинка из кварцевого стекла существенно изменяет лазерные филаменты. Учет этого эффекта позволит повысить точность обработки материалов или скорректировать расстояние, на которое нужно передать мощность лазерного пучка.
