Selvfokuserende - Self-focusing

Lys som går gjennom en gradientindekslinse er fokusert som i en konveks linse. I selvfokusering blir brytningsindeksgradienten indusert av selve lyset.

Selvfokusering er en ikke-lineær optisk prosess indusert av endringen i brytningsindeks for materialer utsatt for intens elektromagnetisk stråling . Et medium hvis brytningsindeks øker med den elektriske feltintensiteten fungerer som en fokuseringslinse for en elektromagnetisk bølge preget av en innledende tverrgående intensitetsgradient, som i en laserstråle . Toppintensiteten til den selvfokuserte regionen fortsetter å øke når bølgen beveger seg gjennom mediet, til defokuseringseffekter eller middels skade avbryter denne prosessen. Selvfokusering av lys ble oppdaget av Gurgen Askaryan .

Selvfokusering blir ofte observert når stråling generert av femtosekundlasere forplanter seg gjennom mange faste stoffer, væsker og gasser. Avhengig av materialtype og strålingens intensitet, produserer flere mekanismer variasjoner i brytningsindeksen som resulterer i selvfokusering: hovedsakene er Kerr-indusert selvfokusering og plasma selvfokusering.

Kerr-indusert selvfokusering

Kerr-indusert selvfokusering ble først spådd på 1960-tallet og eksperimentelt verifisert ved å studere samspillet mellom rubinlasere med briller og væsker. Opprinnelsen ligger i den optiske Kerr-effekten , en ikke-lineær prosess som oppstår i medier som er utsatt for intens elektromagnetisk stråling, og som produserer en variasjon av brytningsindeksen som beskrevet av formelen , der n 0 og n 2 er lineær og ikke -lineære komponenter i brytningsindeks, og jeg er intensiteten av strålingen. Siden n 2 er positiv i de fleste materialer, blir brytningsindeksen større i områdene der intensiteten er høyere, vanligvis i midten av en stråle, og skaper en fokuseringsdensitetsprofil som potensielt fører til at en stråle kollapser på seg selv. Selvfokuserende bjelker har vist seg å utvikle seg naturlig til en Townes-profil uavhengig av deres opprinnelige form.

Self-fokus oppstår hvis strålingen makt er større enn den kritiske kraft

,

hvor λ er den strålingsbølgelengden i vakuum, og α er en konstant som avhenger av den opprinnelige romlige fordeling av bjelken. Selv om det ikke er noe generelt analytisk uttrykk for α, er verdien avledet numerisk for mange bjelkeprofiler. Den nedre grensen er α ≈ 1,86225, som tilsvarer Townes bjelker, mens for en Gaussisk bjelke α ≈ 1,8962.

For luft, n 0 ≈ 1, n 2 ≈ 4 × 10 −23 m 2 / W for λ = 800 nm, og den kritiske effekten er P cr ≈ 2,4 GW, tilsvarende en energi på ca. 0,3 mJ for en pulsvarighet på 100 fs. For silisiumdioksyd, n 0 ≈ 1,453, n 2 ≈ 2,4 × 10 −20 m 2 / W, og den kritiske effekten er P cr ≈ 2,8 MW.

Kerr-indusert selvfokusering er avgjørende for mange applikasjoner innen laserfysikk, både som en nøkkelingrediens og som en begrensende faktor. For eksempel ble teknikken med chirped pulsforsterkning utviklet for å overvinne ikke-lineariteter og skader av optiske komponenter som selvfokusering ville produsere i forsterkningen av femtosekund laserpulser. På den annen side er selvfokusering en viktig mekanisme bak Kerr-lens modellocking , laserfilamentering i gjennomsiktige medier, selvkomprimering av ultrakorte laserpulser , parametrisk generering og mange områder av laser-materie-interaksjon generelt.

Selvfokusering og defokusering i gevinstmedium

Kelley spådde at homogent utvidede to-nivå atomer kan fokusere eller defokusere lys når bærerfrekvensen avstemmes nedover eller oppover sentrum av forsterkningslinjen . Forplantning av laserpuls med langsomt varierende konvolutt styres i forsterkningsmedium av den ikke-lineære Schrödinger-Frantz-Nodvik-ligningen.

Når blir detuned nedover eller oppover fra brytningsindeksen endres. "Rød" avstemming fører til en økt brytningsindeks under metning av resonansovergangen, dvs. til selvfokusering, mens for "blå" avstemming er strålingen defokusert under metning:

hvor er det stimulerte utslippstverrsnittet, er populasjonens inversjonstetthet før puls ankomst, og er langsgående og tverrgående levetider på to-nivå medium og er forplantningsaksen.

Filamentation

Laserstrålen med en jevn romlig profil påvirkes av modulasjonsinstabilitet. De små forstyrrelsene forårsaket av ruheter og middels defekter forsterkes i forplantning. Denne effekten blir referert til som ustabilitet i Bespalov-Talanov. I en ramme av ikke-lineær Schrödingerligningen: .

Hastigheten av perturbasjonen vekst eller ustabilitet inkrement er forbundet med glødetråden størrelse via enkle ligning: . Generalisering av denne forbindelsen mellom Bespalov-Talanov-trinn og filamentstørrelse i forsterkningsmedium som en funksjon av lineær forsterkning og avstemming hadde blitt realisert i.

Selvfokuserende i plasma

Fremskritt innen laserteknologi har nylig muliggjort observasjon av selvfokusering i samspillet mellom intense laserpulser og plasmaer. Selvfokusering i plasma kan skje gjennom termiske, relativistiske og ponderomotive effekter. Termisk selvfokusering skyldes kollisjonsoppvarming av et plasma utsatt for elektromagnetisk stråling: temperaturøkningen induserer en hydrodynamisk ekspansjon som fører til en økning i brytningsindeksen og ytterligere oppvarming.

Relativistisk selvfokusering er forårsaket av masseøkningen av elektroner som beveger seg i hastighet som nærmer seg lyshastigheten , noe som endrer plasmaets brytningsindeks n rel i henhold til ligningen

,

hvor ω er strålingen vinkelfrekvens og ω p den relativistically korrigerte plasmafrekvensen .

Ponderomotiv selvfokusering er forårsaket av ponderomotiv kraft , som skyver elektroner bort fra regionen der laserstrålen er mer intens, og øker derfor brytningsindeksen og induserer en fokuseringseffekt.

Evalueringen av bidraget og samspillet mellom disse prosessene er en kompleks oppgave, men en referanseterskel for plasma-selvfokusering er den relativistiske kritiske kraften

,

der m e er elektronmassen , c lysets hastighet, ω strålingsvinkelfrekvensen, e elektronladningen og ω p plasmafrekvensen. For en elektrontetthet på 10 19 cm −3 og stråling ved bølgelengden 800 nm, er den kritiske effekten ca 3 TW. Slike verdier kan realiseres med moderne lasere, som kan overstige PW-effekten. For eksempel har en laser som leverer 50 fs pulser med en energi på 1 J en toppeffekt på 20 TW.

Selvfokusering i et plasma kan balansere den naturlige diffraksjonen og kanalisere en laserstråle. En slik effekt er gunstig for mange applikasjoner, siden den bidrar til å øke lengden på samspillet mellom laser og medium. Dette er avgjørende for eksempel i laserdrevet partikkelakselerasjon, laserfusjonsordninger og generering av høy harmonisk.

Akkumulert selvfokusering

Selvfokusering kan induseres av en permanent endring av brytningsindeksen som skyldes en flerpulseksponering. Denne effekten har blitt observert i briller som øker brytningsindeksen under eksponering for ultrafiolett laserstråling. Akkumulert selvfokusering utvikler seg som en bølgeleder, snarere enn en linseffekt. Omfanget av aktivt dannende strålefilamenter er en funksjon av eksponeringsdosen. Evolusjonen av hver strålefilament mot en unikhet er begrenset av den maksimale induserte brytningsindeksendringen eller av laserskademotstanden til glasset.

Selvfokusering i myke stoffer og polymersystemer

Selvfokusering kan også bli observert i en rekke soft matter-systemer, slik som oppløsninger av polymerer og partikler samt fotopolymerer. Selvfokusering ble observert i fotopolymer-systemer med mikroskala laserstråler av enten UV eller synlig lys. Selvfangst av usammenhengende lys ble også senere observert. Selvfokusering kan også observeres i bredstrålebjelker, hvor strålen gjennomgår glødetråd, eller modulasjonsinstabilitet , spontan deling i et mangfold av mikroskala selvfokuserte bjelker eller filamenter . Balansen mellom selvfokuserende og naturlig stråledivergens resulterer i at bjelkene forplanter seg divergensfri. Selvfokusering i fotopolymeriserbare medier er mulig på grunn av en fotoreaksjonavhengig brytningsindeks, og det faktum at brytningsindeks i polymerer er proporsjonal med molekylvekt og tverrbindingsgrad som øker over varigheten av fotopolymerisering.

Se også

Referanser

Bibliografi