| 1 |
16 сентября 2013 г.-25 декабря 2014 г. |
Инициирование и диагностика экстремальных состояний и фазовых переходов в объеме диэлектриков при воздействии остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения |
| Результаты этапа: Поставленные задачи, в основном, выполнены. Было создано несколько экспериментальных схем, позволяющих комплексно охарактеризовать процессы, происходящие внутри объема диэлектриков.
1. Была создана схема, реализующую методику теневой фотографии, позволяющая наблюдать процессы, индуцированные фемтосекундным лазерным импульсом, начиная от нескольких пикосекунд и заканчивая десятками микросекунд. Обозначенная выше методика позволяет наблюдать процессы образования микромодификаций и ударных волн в объеме кристаллических диэлектриков, а также образования ударных волн и кавитационных пузырей в жидких диэлектрических средах, а именно в воде. Полученные данные позволяют дать оценки скоростей и амплитуд ударных волн, что критически важно для характеризации состояния вещества в области, где происходит фазовый переход.
2. Вторая схема, применяемая в исследованиях, - методика зондирования пробным импульсом. В рамках проведенных экспериментов были получены зависимости прохождения пробного импульса и его третьей гармоники от задержки между пробным и возбуждающим импульсами с фемтосекундным разрешением. Полученные зависимости позволяют судить о динамики процессов, индуцированных фемтосекундным лазерным импульсом внутри объема диэлектрика.
2. Размер области воздействия сильно зависит от энергии лазерного импульса, его фокусировки, а также параметров среды. Было обнаружено, что при острой фокусировке мощного лазерного импульса в среду (NA>0.3) образуется суперфиламент, многократно увеличивающий область воздействия на среду. Его длина логарифмически зависит от энергии лазерного импульса и может достигать миллиметровых масштабов при числовой апертуре фокусирующей линзы 0.3 и энергии лазерного импульса в 200мкДж. Внесение в схему аберраций может значительно (~1.5 раза) увеличить размер филамента, за счет того, что в каждом аберрационном максимуме зажигается отдельный филамент, а при увеличении энергии эти филаменты перекрываются, создавая один протяженный плазменный канал. Однако, следует отметить, что воздействие в дальней зоне осуществляется за счет ударных волн и кавитационных пузырей, так как времена их жизни и характерные размеры больше области локализации плазмы. Так, характерный размер кавитационного пузыря – порядка 500мкм в диаметре, а ударная волна может проходить путь до 10мм до того, как она затухнет до акустической. В конденсированных средах характерные масштабы воздействия по порядку величины совпадают (~400мкм), но в них отсутсвуют кавитационные пузыри, а ударные волны затухают быстрее (~30нс).
3. Для оценки амплитуды ударной волны было решено отказаться от использования дефлектометрии, т.к. данная методика применима лишь для оценки ударных волн, выходящих на границу тонкой мишени, в то время как, например, методика теневой фотографии позволяет оценить давление на фронте ударной волны в объеме мишени, применяя квази-эмпирические формулы, связывающие скорость и давление на фронте ударной волны.
4. На данном этапе работ было решено отложить изучение откольных явления в связи с характеризацией процесса суперфиламентации в воде, а также лазерно-индуцированных фазовых переходов в кристаллах фторидов и воде. Также в фокус исследований попали пост-эффекты, сопровождающие генерацию экстремальных состояний вещества, а именно: генерация ударных волн и кавитационных пузырей. В наших исследованиях была определена роль линейного поглощения, энергии лазерного импульса и остроты фокусировки.
|
| 2 |
24 марта 2015 г.-31 декабря 2015 г. |
Инициирование и диагностика экстремальных состояний и фазовых переходов в объеме диэлектриков при воздействии остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения |
| Результаты этапа: Поставленные задачи, в основном, выполнены.
1. Используя методику несинхронной генерации третьей гармоники, а также теневые методы было охарактеризовано взаимодействие остросфокусированных фемтосекундных импульсов с веществом, а также построена качественная классификация режимов взаимодействия в зависимости от остроты внешней фокусировки и мощности лазерного импульса: при малых энергиях (E<10мкДж) и острой (NA>0.1-0.2) фокусировке энергия вкладывается в одну точки, при уменьшении остроты фокусировки (при условии P>Pcr) в среде образуется филамент, который при превышении энергии распадается на несколько отдельных филаментов (режим множественной филаментации), при значительном превышении над критической мощностью самофокусировки (P>10-20 Pcr) и острой фокусировке (NA>0.3) в среде образуется суперфиламент. Именно в этом режиме возможна эффективная перекачка энергии в механические пост-эффекты (ударные волны и кавитационные пузыри), достигающая величины 14%. Эволюция пост-эффектов следующая – на временах порядка длительности импульса (~100-200фс) в среде образуется плазма (T~10эВ, p~1ГПа, время жизни ~ 4пс), которая начинает эффективно передавать энергию в среду – в результате чего через 10пс в среде образуется ударная волна, имеющая скоростью 2,4 км/с и давлением на ударном фронте 1ГПа. Параллельно с этим в среде образуется кавитационный пузырь с временем жизни десятки-сотни микросекунд, испытывающий осцилляции, сопровождающиеся генерациями струй, направленных в сторону лазерного импульса.
2.
a. В ходе исследования была разработана эффективная схема генерации суперконтинуума в двухкомпонентной среде. Суть метода заключается в следующем – изначально излучение фокусируется не в среду, а перед ней (т.е. в воздух). В результате на входе в среду могут быть достигнуты большие интенсивности, а импульс на входе в образец является расходящимся. Это меняет соотношение между нелинейно-оптическими процессами, приводящими к образованию филамента в среде (керровская самофокусировка, плазменная дефокусировка, дифракция и дисперсия), так, что роль плазменного члена уменьшается. Это приводит к увеличению эффективной длины взаимодействия и, как следствие, увеличению эффективности суперконтинуума. Особенно ярко это выражается при малых (<5мкДж) и очень больших (>50мкДж) энергиях лазерного импульса. При малых энергиях в стандартной схеме генерации суперконтинуума (СК) еще не происходит, а при больших энергиях начинает повреждаться среда. Кроме того, в режиме двухкомпонентной среды эффективность генерации синего крыла в спектре значительно превосходит классический режим.
b. Также были проведены исследования по генерации суперконтинуума в газах высокого давления вплоть до сверхкритических. Было обнаружено что в таких условиях происходит генерация суперконтинуума от 350 до 2000нм, причем в молекулярных газах (на примере углекислого газа) происходит эффективная передача энергии в молекулярные колебания (порядка 50%). Причем эффективность генерации СК растет с ростом давления.
i. при мощности фемтосекундного лазера Р>>Ркр развитие нелинейно-оптических процессов приводит к уширению спектра, в котором синее крыло растет быстрее красного, что вызвано увеличением концентрации свободных электронов, возникающих при филаментации лазерного импульса;
ii. в области к критической точки плотность среды резко увеличивается, что приводит к более быстрому росту красного крыла в спектре суперконтинуума за счет увеличения нелинейного показателя преломления;
iii. в сверхкритическом СО2 и ксеноне при мощности фемтосекундного лазера P>>Pкр развивается процесс филаментации фемтосекундного импульса ближнего ИК диапазона, что приводит к генерации суперконтинуума шириной в три с половиной октавы (от 300 нм до 2мкм);
iv. обнаружено, что в спектре суперконтинуума сверхкритического углекислого газа присутствует плато, простирающееся от 1500 до 1900нм и ограниченное лишь сильным поглощением в окрестности 1900нм за счет дипольно-разрешенных переходов на составных колебаниях;
v. в видимой области присутствует крыло, «оторванное» от основной части супеконтинуума, энергия которого увеличивается с ростом нелинейного показателя преломления.
3. Был создан параметрический усилитель света в диапазоне 0.8-2.5мкм на основе кристалла BBO, а также проведена его характеризация: экспериментально и теоретически были получены перестроечные кривые и ширина спектра сигнальной волны. Энергетические характеристики созданного параметрического генератора света позволяют использовать его для бигармонической раскачки во время-разрешенной КАРС диагностике.
4. Была разработана схема время-разрешенной КАРС диагностики газа высокого давления (вплоть до сверхкритического состояния) и конденсированной среды в невозбужденном состоянии и при силовом воздействии на среду. Для апробации методики сначала было решено охарактеризовать КАРС сигнал в углекислом газе высокого давления. Так, углекислый газ обладает комбинационно-активной Ферми диадой (v1/2v2) удобной для исследований. Кроме этого, работа с газом позволяет варьировать давление и температуру (с помощью сверхкритической кюветы) в широких диапазонах. В экспериментах был обнаружен сигнал четырехволнового смешения (was=wsc-w1+wsc), где квант из суперконтинуума и квант основного излучения раскачивали молекулярные колебания, а еще один квант суперконтинуума (более высокоэнергетичный) выступал в качестве пробного. В результате в диапазоне длин волн 410-450 (в зависимости от давления) наблюдался сигнал четырехволнового смешения. Причем с ростом давления центральная длина волны возрастала (что связано с уменьшением частоты колебаний ферми диады с ростом плотности). |
| 3 |
5 апреля 2016 г.-31 декабря 2016 г. |
Инициирование и диагностика экстремальных состояний и фазовых переходов в объеме диэлектриков при воздействии остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения |
| Результаты этапа: В рамках проекта было проведено комплексное исследование экстремального состояния вещества в различных средах. Высокий энерговклад в среду (~10кДж/см^3) ведет к генерации ударных волн, каскаду фазовых переходов, возбуждению когерентных фононов и образованию микромодификаций. Комбинируя теневые методы, методику зондирования пробным импульсом, КАРС спектроскопию и методику генерации третьей гармоники, мы впервые показали возможность генерации суперфиламента в конденсированных средах и провели исследование динамик взаимодействия лазерного импульса со средой (от фемтосекунд до микросекунд) в этом режиме. Впервые показали возможность генерации когерентных фононов во фториде магния, и исследовали динамику фазовых переходов.
1. Впервые обнаружена генерация суперфиламента в конденсированных средах и описана динамику взаимодействий лазерного импульса в режим суперфиламентации с водой от фемтосекунд до микросекунд, при различных параметрах лазерного импульса и его фокусировки.
2. Исследована динамика взаимодействия остросфокусированного импульса с конденсированной средой: от фемтосекунд до микросекунд. Проведена диагностика экстремального состояния вещества и пост-эффектов, вызванных высоким энерговкладом в среду.
3. Показано, что острая фокусировка позволяет достичь экстремальных состояний вещества (объемна плотность поглощенной энергии 8кДж/см^3), что приводит к генерации ударных волн (амплитуда порядка 7ГПа в твердых телах и 1ГПа в жидкостях), а также каскаду фазовых переходов, который наблюдались с помощью методики генерации третьей гармоники, КАРС-спектроскопии, а также теневой фотографии
4. Проведена времяразрешенная диагностика фазовых переходов во фториде магния и сапфире: обнаружены фазовые переходы с изменением кристаллической структуры вещества, происходящие при большом давление
5. Было показано, что методика зондирования третьей гармоники может быть использована для зондирования стационарных микромодификации с большим пространственным разрешением, а также исследование воздействия цуга импульсов на вещество. |
