Самофокусировка и филаментация

Самофокусировка — это нелинейное оптическое явление, при котором интенсивный лазерный пучок изменяет показатели преломления среды таким образом, что его собственное распространение претерпевает фокусировку. Данный процесс лежит в основе множества нелинейных эффектов, наблюдаемых в аттосекундной физике и ультракороткой лазерной динамике.

Основной механизм связан с оптическим керровским эффектом, когда показатель преломления среды описывается зависимостью:

n(I) = n0 + n2I,

где n0 — линейный показатель преломления, n2 — коэффициент нелинейного показателя преломления, а I — интенсивность пучка.

При положительном значении n2 более интенсивные части пучка испытывают большее увеличение показателя преломления, что эквивалентно действию линзы, фокусирующей свет внутрь самого пучка.

Критическая мощность самофокусировки определяется выражением:

$$ P_{\text{cr}} = \alpha \frac{\lambda^2}{4 \pi n_0 n_2}, $$

где λ — длина волны лазера, а α — численный коэффициент, зависящий от геометрии пучка (для гауссовского пучка α ≈ 1.896). Если мощность излучения превышает Pcr, пучок начинает сжиматься, формируя узкий канал высокой интенсивности.

Баланс самофокусировки и дифракции

Без учёта нелинейных эффектов пучок всегда испытывает дифракционное расширение, которое стремится рассеять энергию. При появлении нелинейного вклада в показатель преломления возникает конкуренция между двумя процессами:

  • дифракция — расширяет пучок;
  • керровская самофокусировка — сжимает пучок.

Равновесие между этими силами определяет пространственную эволюцию пучка и является основным условием для образования филаментов.

Филаментация лазерного излучения

Филаментация — это устойчивое распространение узкого лазерного канала (филамента) на расстояниях, значительно превышающих длину Рэлея. Явление наблюдается при сверхмощных фемтосекундных импульсах и особенно важно для аттосекундной физики, так как именно филаменты формируют среды с экстремальными оптическими и электрическими полями.

Филамент существует благодаря динамическому балансу между:

  • самофокусировкой (стремящейся сузить пучок до коллапса);
  • нелинейной ионизацией среды (создание плазмы, которая уменьшает показатель преломления и раздувает пучок);
  • многократными циклами сжатия и расширения пучка на протяжении распространения.

Таким образом, филамент является самоподдерживающейся структурой, внутри которой локально достигаются экстремальные значения интенсивности (1013 − 1014 Вт/см2) при сохранении значительной длины распространения (метры и десятки метров в атмосфере).

Физические механизмы стабилизации филамента

  1. Ионизационное расфокусирование При достижении высокой интенсивности начинается туннельная или многофотонная ионизация молекул газа. Образующаяся плазма снижает показатель преломления (Δn < 0), что компенсирует керровскую самофокусировку.

  2. Самостабилизация за счёт дисперсии В среде с нормальной дисперсией спектр импульса расширяется, формируя суперсплошной (white-light) континуум. Расширение спектра препятствует разрушению пучка и способствует стабилизации.

  3. Многократные фокусировки Пучок может претерпевать серию локальных сжатий и расширений. Это приводит к «многожильной» структуре, когда филамент разбивается на несколько каналов, но каждый из них поддерживается тем же балансом нелинейных процессов.

Спектральные и временные эффекты филаментации

Филаментация не ограничивается пространственным удержанием пучка. Она сопровождается целым рядом временных и спектральных преобразований, которые крайне важны для аттосекундной физики:

  • суперконтинуум-генерация — значительное уширение спектра лазерного импульса от ИК до УФ диапазона, что создаёт основу для формирования аттосекундных импульсов;
  • самокомпрессия импульса — уменьшение длительности фемтосекундных импульсов вплоть до суб-цикловых времён;
  • рождение высоких гармоник — в области филамента наблюдается усиленная генерация высших гармоник, что служит основным механизмом создания аттосекундных вспышек.

Экспериментальные реализации

Филаментация наблюдается в различных средах:

  • в газах (воздух, аргон, азот, ксенон) — наиболее распространённые эксперименты, связанные с атмосферной оптикой, генерацией аттосекундных импульсов и удалённым зондированием;
  • в конденсированных средах (стекло, сапфир, кристаллы) — используются для получения сверхшироких спектров и ультракоротких импульсов;
  • в жидкостях — исследуются механизмы самофокусировки в условиях сильного поглощения и дисперсии.

В атмосфере филаментация приводит к эффектам, имеющим прикладное значение: создание длинных плазменных каналов, возможность управления электрическими разрядами, формирование «лазерных нитей», применяемых в лазерном дистанционном зондировании (LIDAR).

Роль в аттосекундной физике

Филаменты являются естественными лабораториями для экстремальной нелинейной оптики. Внутри них формируются:

  • локальные поля достаточной силы для генерации гармоник вплоть до EUV- и soft-X-ray диапазона;
  • ультракороткие импульсы, подходящие для сжатия до аттосекундных длительностей;
  • плазменные каналы, обеспечивающие управляемую дисперсию ионов и электронов.

Таким образом, самофокусировка и филаментация выступают фундаментальными процессами, связывающими нелинейную оптику, плазменную физику и аттосекундные технологии.

Оглавление