1.2 Филаментация фемтосекундных импульсов в атмосфере

Исторически филаментация лазерного излучения в газах не наблюдалась до 90–х годов. Критическая мощность самофокусировки в газообразных средах на три порядка выше, чем в конденсированных диэлектриках, и составляет единицы гигаватт. До создания мощных фемтосекундных лазеров подобную мощность могли достигать импульсы лишь милли- и микросекундной длительности. При таких временных параметрах излучения керровскую самофокусировку подавляют нелинейные эффекты с более низким энергетическим порогом – тепловая дефокусировка и оптический пробой [16]. Для импульсов же фемто- и субпикосекундного диапазона влияние этих эффектов не успевает проявиться в силу инерционности их нелинейно-оптического отклика. Поэтому явление филаментации лазерных импульсов в газах возможно только при сочетании двух условий – сверхкороткой длительности и высокой мощности излучения.

С появлением мощных фемтосекундных лазеров стало возможным наблюдение филаментов в газах. Многофиламентация регистрируется CCD-камерой по появлению в плоскости наблюдения множества «горячих точек» в распределении плотности энергии в каждом импульсе, или по генерации суперконтинуума (сверхуширенной полосы частотного спектра импульса). В [17] было зарегистрировано образование нескольких филаментов при распространении лазерного импульса энергией 160 мДж, длительностью около 100 фс и диаметром 70 мм в атмосферном воздухе. Более 10 филаментов с поперечным размером около 100 мкм были детектированы CCD-камерой при фокусировке импульса линзой с фокусным расстоянием 8 м. CCD-камера находилась на расстоянии 5 м за фокальной плоскостью линзы.

В [18] исследовалось взаимодействие двух филаментов в воздухе. Излучение на выходе из лазерной системы на Ti:Sapphire имело следующие параметры: длина волны составляла 810 нм, энергия импульса 5 – 8 мДж, длительность – 50 фс, диаметр пучка – около 0.5 cм. В поперечном распределении плотности энергии на выходе лазерной системы существовали два слабо выраженных максимума, которые приводили к образованию двух филаментов на расстоянии 190 см от линзы с фокусным расстоянием 2 м. При дальнейшем распространении филаменты сливались на расстоянии 223 см.

В [19] энергия импульса составляла 10 ÷ 40 мДж, а длительность и длина волны излучения были примерно такими же, как в [18]: 45 фс и 800 нм, соответственно. Поперечное распределение плотности энергии на выходе из лазерной системы состояло из двух крупномасштабных неоднородностей, содержащих примерно 60% и 40% от суммарной плотности энергии. Импульс с помощью системы зеркал направлялся на трассу длиной 87 м, и затем попадал на экран, отражение с которого передавалось на CCD-камеру. Для ослабления влияния атмосферной турбулентности импульс распространялся в картонной трубе. При энергии импульса 14 мДж на расстоянии 87 м наблюдалось образование двух филаментов: в одном из них плотность энергии в 90 раз превышала пиковую плотность на выходе лазерной системы, в другом – в 10 раз. При измерении слабо интенсивного фона лазерного пучка на том же расстоянии z = 87 м была обнаружена кольцевая структура из 5 - 6 колец, окружающая более энергетичный филамент. В окрестности другого филамента эта кольцевая структура существенно искажалась, и в ней наблюдались четкие максимумы и минимумы в распределении плотности энергии. Интерпретация наблюдаемой интерференционной картины дана на основе простой модели суперпозиции двух волн: волны, расходящейся вследствие дефокусировки в лазерной плазме, и невозмущенной волны на периферии поперечного сечения импульса.