Эффективная длина самофокусировки фемтосекундных лазерных импульсов в керамике фторида лития

Научная библиотека Комментариев к записи Эффективная длина самофокусировки фемтосекундных лазерных импульсов в керамике фторида лития нет

Дресвянский В.П., Моисеева М.А., Кузнецов А.В., Мартынович Е.Ф., Иркутский филиал ФГБУН «Института лазерной физики» Сибирского отделения Российской академии наук // Журнал Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2 (часть 13) – С. 2835-2839, УДК 535.376

Представлены результаты экспериментальных исследований зависимости дистанции самофокусировки от положения фокуса длиннофокусной линзы относительно входной поверхности керамических образцов фторида лития, облученных фемтосекундными лазерными импульсами в режиме низкоапертурной фокусировки, когда возбуждающее излучение лазера фокусировалось с помощью линзы с большим фокусным расстоянием. Проведено компьютерное моделирование филаментации на основе нелинейного уравнения Шрёдингера с учетом неоднородности среды. Показано, что более быстрый распад лазерных импульсов на филаменты в случае керамики, где исходные неоднородности в профиле луча усиливаются неоднородностями среды, приводит к тому, что длина самофокусировки оказывается меньше, чем для монокристалла. Зависимость длины самофокусировки l от расстояния L между входной поверхностью и фокусом линзы близка к линейной.

Описание на английском языке:

EFFECTIVE SELF-FOCUSING LENGTH OF FEMTOSECOND LASER PULSES IN LITHIUM FLUORIDE CERAMICS
Dresvyanskiy V.P. 1 Moiseeva M.A. 1 Kuznetsov A.V. 1 Martynovich E.F. 1
1 Irkutsk Branch of the Institute of Laser Physics SB RAS
Abstract:
The experimental researches results of the self-focusing distance dependence from the lens focus position relative to the input surface of the LiF ceramic samples irradiated by femtosecond laser pulses are presented. The exciting radiation was focused by a long-focus lens. The computer modeling of filamentation based on nonlinear Shredinger equation taking into account medium inhomogeneity was performed. It is shown that a more rapid decay of laser pulses on the filaments in the case of ceramics, where initial inhomogeneities in the profile of the beam amplified inhomogeneities of the medium leads to the fact that the self-focusing length is less than that of a monocrystal. The dependence of the self-focusing length l from the distance L between the input surface and the focus lens is close to linear.

Известно, что под действием фемтосекундного лазерного излучения ближней инфракрасной области спектра в монокристаллах фторида лития эффективно создаются люминесцирующие дефекты [2, 7]. Этими дефектами являются агрегатные центры окраски. Такие же дефекты образуются в кристаллах фторида лития и под действием различных ионизирующих излучений.

Механизм создания этих дефектов также хорошо изучен. В результате высоконелинейного многофотонного поглощения лазерного излучения электронной подсистемой вещества происходит образование электронно-дырочных пар в областях множественной самофокусировки и филаментации возбуждающего фемтосекундного лазерного излучения [2]. Затем в ходе рекомбинации электронов и дырок идет образование анионных экситонов. Из радиационной физики твердого тела известно, что далее происходит распад экситонов на анионные френкелевские дефекты и протекают процессы, перезарядки, миграции, агрегации и ассоциации первичных френкелевских дефектов с образованием стабильных агрегатных электронных центров окраски.

Важную роль в образовании центров окраски под действием фемтосекундных лазерных импульсов играют процессы самофокусировки и последующей филаментации лазерного излучения, сопровождаемые резким ростом его интенсивности, что обеспечивает протекание высоконелинейных процессов поглощения [3]. Исследованию этих процессов уделяется большое внимание при изучении взаимодействия интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с диэлектрическими средами.

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование процессов самофокусировки и филаментации при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с образцами фторидно-литиевой керамики, определение зависимости дистанции самофокусировки от местоположения фокуса длиннофокусной линзы относительно входной поверхности керамических образцов и компьютерное моделирование этих процессов на основе нелинейного уравнения Шрёдингера с учетом неоднородности среды.

Экспериментальная установка по облучению керамик фемтосекундным лазерным излучением включала титан-сапфировый лазер, генерирующий импульсы длительностью 50 фс с энергией около 6 мДж и максимумом спектральной линии излучения на длине волны 950 нм. В экспериментах использовался так называемый режим низкоапертурной фокусировки (рис. 1), когда возбуждающее излучение лазера фокусировалось с помощью линзы с большим фокусным расстоянием – 425 мм, а сам образец располагался на некотором расстоянии L перед местоположением фокуса линзы.

Рис. 1. Схема эксперимента по облучению керамик фемтосекундными лазерными импульсами

Рис. 1. Схема эксперимента по облучению керамик фемтосекундными лазерными импульсами

Образец керамики мог перемещаться вдоль и поперек направления лазерного луча. Движение в поперечном направлении давало возможность пространственно разделить воздействие импульсов лазерного излучения в образце. Перемещение образца вдоль луча позволяло изменять в нем интенсивность лазерного излучения. Полная энергия лазерного излучения, пропущенного через образец, определялась количеством импульсов (10–1000).

Регистрация продольного и поперечного распределений концентрации центров свечения в индуцированных фемтосекундными лазерными импульсами каналах осуществлялась на инвертированном оптическом микроскопе Olympus IX71 при возбуждении фотолюминесценции лазерным источником с длиной волны излучения 450 нм.

Микроскопические исследования показывают, что в исследуемых образцах керамик, облученных фемтосекундным излучением, эффективно создаются люминесцирующие дефекты – центры окраски, характерные при радиационном окрашивании фторида лития.

Центры окраски в керамических образцах, облученных фемтосекундным излучением, распределяются по нитеобразным каналам, сформированным в области расположения филаментов лазерного излучения, образующихся в результате множественной самофокусировки. Это видно на фотографиях (рис. 2), где показаны продольные распределения интенсивности люминесценции центров окраски для различных условий лазерного облучения.

Из представленных результатов видно, что начало образования филаментов находится на некотором расстоянии от поверхности кристалла, которое соответствует эффективной длине самофокусировки l. При этом в случаях, когда расстояние от поверхности образца до местоположения фокуса линзы L не изменялось, самофокусировка лазерного излучения происходила на одном и том расстоянии от поверхности образца (фото слева на рис. 2). Увеличение числа фемтосекундных импульсов возбуждения приводит к увеличению длины люминесцирующего канала. В случаях, когда расстояние от поверхности образца до местоположения фокуса линзы L изменялось, изменялось и расстояние от поверхности образца до места начала самофокусировки лазерного излучения (фото справа на рис. 2). Кроме этого, изменение расстояния от поверхности образца до местоположения фокуса линзы L в сторону увеличения от 20 до 40 мм приводит к увеличению глубины от 2,5 мм до 6,5 мм, на которой наблюдается максимальная плотность филаментов (рис. 3).

Известно, что эффективная длина самофокусировки во многом определяется интенсивностью лазерного излучения. В наших исследованиях интенсивность лазерного излучения определялась расстоянием от местоположения фокуса линзы по поверхности образца. Данная зависимость была сопоставлена с результатами компьютерного моделирования филаментации на основе нелинейного уравнения Шрёдингера.

Рис. 2. Фотографии продольного распределения центров свечения (возбуждающее лазерное излучение направлено слева на право) в индуцированных серией от 10 до 1000 фемтосекундных лазерных импульсов каналах

Рис. 2. Фотографии продольного распределения центров свечения (возбуждающее лазерное излучение направлено слева на право) в индуцированных серией от 10 до 1000 фемтосекундных лазерных импульсов каналах

Рис. 3. Фотографии поперечного распределения центров свечения в каналах: а) расстояние от местоположения фокуса линзы до поверхности образца –20 мм; б) расстояние от местоположения фокуса линзы до поверхности образца – 40 мм

Рис. 3. Фотографии поперечного распределения центров свечения в каналах: а) расстояние от местоположения фокуса линзы до поверхности образца –20 мм; б) расстояние от местоположения фокуса линзы до поверхности образца – 40 мм

Результаты исследования и их обсуждение

Для теоретического определения дистанции самофокусировки лазерных импульсов в керамике достаточно рассмотрения распространения света в керамике до начала филаментации, то есть до достижения интенсивности величины порядка 1014 Вт/см2. Модель самофокусировки основана на нелинейном уравнении Шредингера (НУШ) [4–6].

Выводы

Из сопоставления результатов экспериментальных и теоретических исследований, можно сделать вывод, что более высокая степень неоднородности использованных образцов фторидно-литиевой керамики по сравнению с монокристаллами оказывает существенное влияние на перераспределение интенсивности излучения в лазерном луче в среде. Это является причиной более быстрого распада лазерных импульсов на филаменты в случае керамики, где исходные неоднородности в профиле луча усиливаются неоднородностями среды, а это приводит к тому, что длина самофокусировки оказывается меньше, чем для монокристалла. Зависимость длины самофокусировки l от расстояния L между входной поверхностью и фокусом линзы близка к линейной.

Полное содержание статьи: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37570

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top