4.4 Характеристики множества филаментов в стационарном приближении
Предложенная в 4.2 методика позволяет рассчитывать распространение импульса только до образования первой «горячей точки». В предположении о независимости пространственной и временной динамики импульса фазовая самомодуляция, рассчитанная в окрестности первой «горячей точки», «охватывает» все поперечное сечение импульса. Это обстоятельство не позволяет правильно рассчитывать фазовую самомодуляцию в окрестности других вероятных «горячих точек». Если не учитывать фазовую самомодуляцию, то можно будет рассчитывать распространение импульса и после образования первой «горячей точки». При этом, чтобы избежать коллапса поля уже полученных «горячих точек», необходимо учитывать плазменную дефокусировку, как, например, в (2.9). В отсутствии фазовой самомодуляции расстояние, на котором образовывается «горячая точка», может быть смещено вдоль по трассе, но можно надеяться, что качественно картина образования многих филаментов сохранится.
Рассмотрим типичную картину образования многих филаментов, приведенную на рис. 4.8. В приведенном численном эксперименте размер пучка составлял a0 = 2 см, длительность спектрально-ограниченного импульса – = 100 фс, пиковая начальная мощность P = 20 Pcr. Длина компрессии Lk = 4500 м, структурная постоянная атмосферной турбулентности = 0.8·10-15 см-2/3.
На расстоянии
500 м видно образование первой «горячей
точки», которая к 900 м становится
первым филаментом (рис. 4.8а, б).
Под филаментом здесь понимается
совокупность «горячей точки» и
соответствующей ей области высокой
концентрации электронов (в данном случае
с концентрацией выше
см–3).
На расстоянии 1300 м видно образование
еще одной «горячей точки». На расстоянии
1700 м их становится уже три. Хотя вторая
«горячая точка» образовалась уже на
расстоянии 1300 м, но филамент из нее
сформировался только на расстоянии
2100 м. Столь долгое образование
филамента из «горячей точки» связанно
с тем, что для его образования долгое
время не хватало мощности, которая из-за
компрессии постепенно увеличивалась
за счет краев импульса. В дальнейшем
вдоль по трассе плазменные каналы трех
филаментов (рис. 4.8в, г)
начинают «дрейфовать» в поперечном
сечении импульса из-за турбулентных
флуктуаций в атмосфере (рис 4.8в, г).
Следует отметить, что подобная картина образования многих филаментов на километровой трассе является качественной и требует проверки путем решения полной задачи (2.1).
Заключение
В дипломной работе выполнено численное исследование филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в турбулентной атмосфере. Для решения нелинейного уравнения квазиоптики, описывающего распространение в случайно-неоднородной среде мощных фемтосекундных импульсов, был предложен и реализован алгоритм распараллеливания задачи. Эффективность предложенного алгоритма проверена на различных вычислительных кластерах. Показано увеличение производительности вычислений практически в число задействованных узлов кластера раз по сравнению с однопроцессорной ЭВМ.
Литература
1. Kosareva O.G., Kandidov V.P., Brodeur A., Chien C.Y., Chin S.L. Conical emission from laser-plasma interactions in the filamentation of powerful ultrashort laser pulses in air. // Opt. Lett. V. 22. № 17. P. 1332 (1997).
2. Голубцов И.С., Кандидов В.П., Косарева О.Г. Коническая эмиссия мощного фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. Т. 14. № 5. С. 335 (2001).
3. Rairoux P., Schillinger H., Niedermeier S., Rodriguez M., Ronneberger F., Sauerbrey R., Stein B., Waite D., Wedekind C., Wille H., Wöste L., Ziener C. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses. // Applied Physics B. V. 71. P. 573 (2000).
4. Wille H., Rodriguez M., Kasparian J., Mondelain D., Yu J., Mysyrowicz A., Sauerbrey R., Wolf J. P., Woste L. Teramobile: A mobile femtosecond–terawatt laser and detection system. // European Physics Journal. V. 20. P. 183 (2002).
5. Kasparian J., Rodrigues M., Mejean G., Yu J., Salmon E., Wille H., Bourayou R., Frey S., Andre Y.-B., Mysyrowicz A., Souerbrey R., Wolf J.-P., Woste L. White-Light Filaments for Atmospheric Analysis. // Science. V. 301. P. 61 (2003).
6. Кандидов В.П., Косарева О.Г., Шленов С.А., Панов Н.А., Федоров В.Ю., Дормидонов А.Е. Динамическая мелкомасштабная самофокусировка фемтосекундного лазерного импульса. // Квантовая электроника. Т. 35. №1. C. 59 (2005).
7. Kasparian J., Sauerbrey R., Chin S.L. The critical laser intensity of self-guided light filaments in air. // Appl. Phys. B. V. 71. P. 877 (2000).