Šíření vláken - Filament propagation

V nelineární optiky , šíření vlákno je šíření paprsku světla skrze médium bez difrakce . To je možné proto, že Kerr účinek způsobuje index lomu změny v médiu, což vede k sebe-zaostřování paprsku.

Stopy poškození vláken ve skle způsobené laserovými pulzy poprvé pozoroval Michael Hercher v roce 1964. Šíření vláken laserovými pulzy v atmosféře pozoroval v roce 1994 Gérard Mourou a jeho tým z University of Michigan . Rovnováha mezi self-zaostřování lomu a samostatné tlumení difrakcí pomocí ionizace a zředění laserového paprsku terawatt intenzit, vytvořeno kolísavý zesílení impulsu , v atmosféře vytváří „vláken“, které působí jako vlnovodů pro paprsek čímž se zabrání divergenci. Konkurenční teorie, že pozorované vlákno bylo ve skutečnosti iluzí vytvořenou axikonem (besselem) nebo pohyblivým ohniskem místo „vlnovodné“ koncentrace optické energie, byly dány k odpočinku pracovníky v Národní laboratoři v Los Alamos v roce 1997. Ačkoli sofistikované modely byly vyvinuty k popisu procesu filamentace, model navržený Akozbekem a kol. poskytuje semi-analytické a snadno srozumitelné řešení pro šíření silných laserových pulzů ve vzduchu.

Šíření vláken v polovodičovém médiu lze také pozorovat u laserových laserů s vysokou aperturou a vertikálním povrchem dutin .

Femtosekundová laserová vlákna v plynných médiích

Autofokus

Laserový paprsek procházející médiem může modulovat index lomu média jako

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

kde , a jsou lineární index lomu, druhého řádu index lomu a intenzita rozmnožovacího respektive laserového pole. K autofokusu dochází, když fázový posun způsobený Kerrovým efektem kompenzuje fázový posun kvůli divizi Gaussova paprsku. Fázová změna v důsledku difrakce pro Gaussův paprsek po překročení délky je ${\ displaystyle n_ {0}}$ ${\ displaystyle {\ bar {n}} _ {2}}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle \ Delta z}$

{\ displaystyle \ phi _ {difrakce} = {k \ Delta z \ nad 2 \ rho _ {0} ^ {2}} r ^ {2}}

a fázová změna kvůli Kerrovu efektu je

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

.

kde , (Rayleigh rozsah) a je pás Gaussova svazku. Aby se samoostření stalo, musí člověk splňovat podmínku podmínek, které mají stejnou velikost jak pro Kerrovu, tak pro difrakční fázi. Proto ${\ displaystyle k = {2 \ pi n_ {0} \ přes \ lambda}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {0} = {\ pi w_ {0} ^ {2} n_ {0} \ přes \ lambda}}$ ${\ displaystyle w_ {0}}$ ${\ displaystyle r ^ {2}}$

{\ displaystyle I_ {0} = {w_ {0} ^ {2} \ přes 4 \ rho _ {0} ^ {2} {\ bar {n}} _ {2}}}

.

Na druhou stranu víme, že oblast Gaussova paprsku v pase je . Proto ${\ displaystyle \ pi w_ {0} ^ {2} \ nad 2}$

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

.

Poznámka

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

Samoostření vyžaduje špičkový výkon laseru vyšší než kritický výkon (řád gigawattů ve vzduchu), avšak u infračervených (IR) nanosekundových pulzů se špičkovými výkony vyššími než je autofokus kritického výkonu není možný. Vícefotonová ionizace, inverzní Bremsstrahlung a elektronová lavinová ionizace jsou tři hlavní výsledky interakce plynu a laseru. Pozdější dva procesy jsou interakce kolizního typu a jejich provedení vyžaduje čas (pikosekunda až nanosekunda). Nanosekundový impuls je dostatečně dlouhý na to, aby se rozvinul rozklad vzduchu, než výkon dosáhne řádu GW požadovaného pro automatické zaostřování. Rozklad plynu produkuje plazmu, která má absorpční a reflexní účinek, takže autofokus je zakázán. ${\ displaystyle P_ {c}}$

Opětovné zaostření během šíření zaostřeného krátkého laserového pulzu

Zajímavým jevem souvisejícím s šířením vlákna je opětovné zaostření zaostřených laserových pulzů po geometrickém zaostření. Šíření Gaussova paprsku předpovídá zvětšení šířky paprsku obousměrně od geometrického ohniska. V situaci laserového vlákna se však paprsek rychle znovu zhroutí. Tato divergence a přeorientování bude pokračovat neurčitě.

Šíření vláken ve fotoreaktivních systémech

Tvorbu a šíření vláken lze pozorovat také ve fotopolymerních systémech. Takové systémy zobrazují Kerrovu optickou nelinearitu prostřednictvím fotoreaktivních zvýšení indexu lomu. Vlákna se tvoří v důsledku samovolného zachycení jednotlivých paprsků nebo nestability modulace velkoplošného světelného profilu. Šíření vláken bylo pozorováno v několika fotopolymerizovatelných systémech, včetně organosiloxanů, akrylových, epoxidových a kopolymerů s epoxidy a polymerních směsí. Místa vzniku a šíření vláken mohou být řízena modulací prostorového profilu vstupního světelného pole. Takové fotoreaktivní systémy jsou schopné produkovat vlákna z prostorově a časově nekoherentního světla, protože pomalá reakce reaguje na časově průměrnou intenzitu optického pole, čímž se vymyjí fluktuace femtosekund. Je to podobné jako u foto-refrakčních médií s ne okamžitými odezvami, které umožňují šíření vláken s nekoherentním nebo částečně nekoherentním světlem.

Potenciální aplikace

Vlákna poté, co vytvořila plazmu, přeměňují úzkopásmový laserový puls na širokopásmový puls, který má zcela novou sadu aplikací. Zajímavým aspektem plazmy indukované filamentací je omezená hustota elektronů, což je proces, který zabraňuje optickému rozpadu. Tento efekt poskytuje vynikající zdroj pro spektroskopii vysokého tlaku s nízkou úrovní kontinua a také menším rozšířením čar. Další potenciální aplikací je LIDAR - monitorování vzduchu.

Kostkování plochých panelů pomocí krátkých laserových pulzů je důležitou aplikací vzhledem k tomu, že s tím, jak se skleněné substráty stávají tenčími, je obtížnější zlepšit výtěžek procesu pomocí konvenčních technik krájení kostiček diamantovým kotoučem. Pomocí krátkých pulzů byly rychlosti krájení nad 400 mm / s úspěšně demonstrovány na nealkalickém skle a borosilikátovém skle pomocí 50kHz 5W vysoce výkonného femtosekundového laseru. Pracovní princip vyvinutý společností Kamata a kol. je následující. Krátký pulzní laserový paprsek mající vlnovou délku, pro kterou je práce průhledná, je směrován na přední povrch práce směrem k zadnímu povrchu a zaostřen. Filament ve směru pohybu světelného paprsku od pasu paprsku je tvořen akcí automatického zaostřování v důsledku šíření laserového paprsku v práci. Látka ve vláknu je rozložena laserovým paprskem a může být vypouštěna ze zadního povrchu a v kanálu je vytvořena dutina. Při vytváření dutiny je laserový paprsek skenován, je vytvořen obrobený povrch a poté může být práce řezána se slabým ohybovým napětím.

V červenci 2014 uvedli vědci z University of Maryland použití vláknových femtosekundových laserových pulzů ve čtvercovém uspořádání k vytvoření gradientu hustoty ve vzduchu, který fungoval jako optický vlnovod trvající řádově několik milisekund. Počáteční testování prokázalo zisk signálu 50% oproti neřízenému signálu ve vzdálenosti asi jednoho metru.

Reference

externí odkazy

^ Chin, SL; Wang, T. -J .; Marceau, C .; Wu, J .; Liu, JS; Kosareva, O .; Panov, N .; Chen, YP; Daigle, J. -F .; Yuan, S .; Azarm, A .; Liu, WW; Seideman, T .; Zeng, HP; Richardson, M .; Li, R .; Xu, ZZ (2012). "Pokroky v intenzivní femtosekundové laserové filamentaci ve vzduchu" . Laserová fyzika . 22 : 1–53. Bibcode : 2012LaPhy..22 ... 1C . doi : 10.1134 / S1054660X11190054 . S2CID 12993181 .

[22] Chin, SL; Wang, T. -J .; Marceau, C .; Wu, J .; Liu, JS; Kosareva, O .; Panov, N .; Chen, YP; Daigle, J. -F .; Yuan, S .; Azarm, A .; Liu, WW; Seideman, T .; Zeng, HP; Richardson, M .; Li, R .; Xu, ZZ (2012). "Pokroky v intenzivní femtosekundové laserové filamentaci ve vzduchu" . Laserová fyzika . 22 : 1–53. Bibcode : 2012LaPhy..22 ... 1C . doi : 10.1134 / S1054660X11190054 . S2CID 12993181 .

Languages

In other projects