مشخصات پرتو هارمونیک سوم در هوای جوی با استفاده از پالس های لیزر Femtosecond تولید می شود

ما ، هر دو از نظر تجربی و تئوری ، نتایج حاصل از تولید هارمونیک سوم در هوا در طول رشته پالس لیزر قدرتمند Femtosecond را ارائه می دهیم. سومین الگوی پرتو هارمونیک یک نقطه مرکزی در محور انتشار با انرژی پمپ پایین نشان می دهد و سپس با انتشار مخروطی هارمونیک سوم روشن در انرژی پمپ بالاتر احاطه شده است. ما استدلال می کنیم که عمل ترکیبی از تمرکز خود و تولید پلاسما در هوا نقش مهمی برای شرایط تطبیق فاز در محور و خارج از محور در طول رشته دارد که منجر به راندمان تبدیل بالا می شود. نتایج تجربی در توافق کیفی خوبی با شبیه سازی های عددی است.

معرفی

تولید هارمونیک بالا در گازها به دلیل روش امیدوارکننده برای دستیابی به شدت زیاد ، منابع نوری منسجم با طول موج کوتاه ، علاقه تحقیقاتی زیادی را تحریک کرده است [1]. به طور خاص ، Harmonic سوم (TH) تولید شده در هوا با پالس های لیزر Femtosecond ، راندمان تبدیل را به اندازه 0. 2 ٪ [2] ، [3] ، [4] و کاربردهای بالقوه در اندازه گیری های LIDAR با استفاده از طیف سنجی پهنای باند حل شده نشان داده است [5] ، [6]. انتشار پالس های لیزر فموتوس ثانیه با قدرت بالا در ماده شفاف باعث ایجاد رشته های طولانی [7] و استفاده مجدد از [8] ، [9] در طول انتشار پالس های لیزر می شود. مکانیسم پالس های لیزر femtosecond که در مسافت های طولانی در رسانه های نوری پخش می شود ، تعامل پویا بین خود تمرکز KERR به دلیل ضریب شکست وابسته به شدت غیرخطی و استفاده از پلاسما با چگالی کم ناشی از یونیزاسیون چند برابر است. نسل پلاسما اثر خود تمرکز را متعادل می کند و منجر به قطر پرتو محدود و همچنین شدت اوج محدود در طول انتشار پالس لیزر Femtosecond می شود. این به عنوان بستن شدت شناخته می شود [10] ، [11]. شدت اوج در حین رشته در هوا تا حدود 5 × 10 13 W/cm 2 که برای تولید هارمونیک های بالاتر کافی است [2] ، [4] ، [12] ، [13] ، [14].

نشان داده شده است که به عنوان شدت پالس بنیادی I_ωافزایش ، انرژی TH تولید شده در هوا متناسب با I ω 4. 2 برای شدت پمپ کم و I ω 0. 45 برای شدت پمپ بالاتر است [13] ، [14]. طیف TH تغییر قرمز یا تغییر آبی را با توجه به سه برابر افزایش فرکانس طیف اساسی به عنوان تابعی از انرژی پمپ و لنزهای با فاصله کانونی مورد استفاده نشان می دهد [3] ، [4]. به تازگی ، نتایج نظری و تجربی نشان داده است که در طول رشته لیزر ناشی از لیزر در هوا ، پالس TH Ultrashort ایجاد می شود که یک رشته دو رنگ تشکیل می شود [2]. این اثر رشته دو رنگ به دلیل قفل کردن فاز وابسته به شدت غیرخطی بین پالس های اساسی و TH است که می تواند شرایط تطبیق فاز را در فاصله انتشار طولانی تر گسترش دهد.

هدف از این مطالعه بررسی بیشتر رفتار نسل TH در هوا در هنگام انتشار پالس های لیزر شدید Femtosecond بود. برای این منظور ما مشخصات پرتو و راندمان تبدیل TH را در انرژی های مختلف پمپ اندازه گیری کردیم. داده های تجربی به همراه نتایج شبیه سازی های عددی با استفاده از یک مدل دینامیک مکانی مکانی از انتشار پالس های اساسی و TH تجزیه و تحلیل می شوند. در زیر نشان خواهیم داد که هارمونیک سوم تولید شده در هوا به دلیل شرایط تطبیق فاز در محور و خارج از محور در طول انتشار پالس های لیزری است که منجر به یک پروفایل پرتو می شود که شکل یک ساختار حلقه ای را در اطراف یک مرکزی قرار می دهدنقطه [4] ، [15].

قطعه قطعه

راه اندازی آزمایشی

این آزمایشات با استفاده از سیستم لیزر تقویت کننده پالس Ti-Sapphire (CPA) انجام شد ، که پالس های لیزر Femtosecond را با طول موج مرکزی در 807 نانومتر ، میزان تکرار 1 کیلوهرتز و یک ترانسفورماتور محدود پالس 39 FS (FWHM) تولید می کند. بشرقطر حالت پرتو بیضوی در سطح 1/ E 2 D بود_H= 8. 0 میلی متر و D_V= 6. 3 میلی متر که در آن D_Hو د_Vقطر افقی و عمودی به ترتیب هستند. پالس های لیزری با انرژی از 20 میکروگرم تا 2. 0 MJ در هوا متمرکز شدند

نتایج تجربی

به منظور مطالعه نسل TH در هوا ، خصوصیات سوم مشخصات پرتوهای میدان دور و انرژی سوم به عنوان تابعی از انرژی پالس بنیادی ارائه شده است. در شکل 2 (a)-(d) ، نتایج تجربی مشخصات پرتوی میدان دور تولید شده در هوا با استفاده از یک لنز با فاصله کانونی 100 سانتی متر برای چهار انرژی پمپ مختلف نشان داده شده است. ما از مجموعه آزمایشی شرح داده شده در شکل 1 (a) برای بررسی توزیع روان TH استفاده کردیم. شدت نسبی

شبیه سازی عددی

یک نیاز مهم برای تولید کارآمد هارمونیک این است که فاز باید با طول تعامل قابل توجه مطابقت داشته باشد. در حد تطبیق فاز کامل ، مشخص شده است که برای یک هندسه کاملاً متمرکز ، نسل TH خالص وجود ندارد زیرا نور تولید شده قبل از تمرکز به طور مخرب با TH تولید شده پس از تمرکز هندسی تداخل دارد. این نتیجه تغییر فاز Guoy است که در آن انرژی TH تولید شده قبل از تمرکز به آن داده می شود

خلاصه و نتیجه گیری

در نتیجه ، ما نشان داده ایم که تولید هارمونیک مرتبه سوم در هوا توسط پالس های لیزر Femtosecond در نزدیکی مادون قرمز در نزدیکی مادون قرمز در هر دو شرایط تطبیق فاز در محور و خارج از محور منجر می شود. انتشار مخروطی سوم هرمونیک در قدرت پمپ در اطراف قدرت بحرانی برای تمرکز خود ظاهر شد که در آن شرایط تطبیق فاز خارج از محور در ابتدای رشته ایجاد شده است. انرژی حلقه ها با راندمان تبدیل قوی به سرعت افزایش یافته و سپس برای پمپ بالاتر اشباع می شوند

سپاسگزاریها

این کار توسط شورای علوم طبیعی و شورای تحقیقات مهندسی کانادا (NSERC) ، Le Fonds Québécois de la Recherche sur la Nature et les Technologies (FQRNT) ، صندلی های تحقیقاتی کانادا (CRC) ، بنیاد نوآوری کانادا (CFI) و انستیتوی کانادایی پشتیبانی شده است. برای نوآوری های فوتونی (CIPI). نویسندگان از حمایت فنی آقای ماریو مارتین قدردانی می کنند.