Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля

Диссертация: Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Теория оптического пробоя газов, конденсированных и твердых сред изучена к настоящему времени достаточно подробно в широком спектральном и временном интервале лазерного излучения. Главной особенностью слабопоглощающей сферической частицы является то, что рассеяние на ней лазерного излучения сопровождается существенным увеличением интенсивности оптического поля во внутренних зонах, расположенных… Читать ещё >

Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЁТА РАССЕЯНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ИЗОЛИРОВАННОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ МАЛОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
    • 1. 1. Метод спектрального описания рассеяния (Нестационарное рассеяние
    • 1. 2. Метод неоднородного волнового уравнения в задаче светорассеяния. Собственные резонансы диэлектрических сферических микрочастиц
  • Краткие
  • выводы по главе 1
  • ГЛАВА 2. СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВНУТРИ ПРОЗРАЧНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ РАССЕЯНИИ НА НЕЙ ОДИНОЧНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
    • 2. 1. Внутреннее оптическое поле прозрачной сферической частицы при воздействии на неё одиночного фемтосекундного лазерного импульса
    • 2. 2. Особенности формирования внутреннего оптического поля прозрачной сферической частицы при воздействии на неё цуга фемтосекундных лазерных импульсов

    2.3. Частотно-импульсный режим возбуждения прозрачной сферической микрочастицы чирпированным ультракоротким лазерным излучением. 50 2.4. Факторы эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния одиночного и последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на прозрачной сферической частице.

    Краткие

    выводы по главе 2.

    ГЛАВА 3. РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА НА СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ.

    3.1. Физические механизмы генерации широкополосного оптического излучения (суперконтинуума) при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере.

    3.2. Спектральные, энергетические и угловые характеристики излучения суперконтинуума.

    3.3. Интегральные оптические характеристики сферических частиц при рассеянии на них излучения супер континуум а.

    Краткие

    выводы по главе 3.

    ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ СЛАБОПОГЛОЩАЮЩЕЙ ВОДНОЙ МИКРОЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЁ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ В ПОЛЕ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

    4.1. Тепловой взрыв слабопоглощающих водных микрочастиц под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов.

    4.1.1. Оценка энергозапаса плазменных областей внутри слабопоглощающей водной микрочастицы при её оптическом пробое в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения.

    4.1.2. Оптотермодинамические переходы в водной микрочастице.

    Оценка степени испарения.

    4.2. Модель деформации и разрушения частицы.

    Краткие

    выводы по главе 4.

Актуальность темы

.

Прогресс в создании лазерных источников, способных генерировать излучение фемтосекундной временной шкалы с тераваттной и мультитераватгной пиковой мощностью, привел к разработке новых научных направлений: физике сверхсильных лазерных полей и спектроскопии сверхбыстрых процессов [1,2,3,4,5]. Возникли идеи о приложениях фемтосекундных лазерных технологий к проблемам атмосферной оптики. Известно, что перечень задач атмосферной оптики можно условно разделить на два класса: прямые и обратные задачи. Первый из них — класс задач о взаимодействии световой волны с веществом атмосферы и о прогнозировании распространения света на атмосферной трассе. Второй класс задач связан с извлечением информации о свойствах атмосферы из анализа характеристик оптических полей, которые определяются из решения прямых задач. На рубеже прошлого и настоящего столетий возникло новое направление в атмосферной оптике — фемтосекундная атмосферная оптика, которое поставило своей целью решение указанных задач применительно к фемтосекундным лазерным источникам. К настоящему времени получило наибольшее развитие исследование взаимодействия мощного фемтосекундного импульса с газовой составляющей атмосферы (филаментация, генерация суперконтинуума). Поскольку аэрозоль всегда присутствует в атмосфере, то, несомненно, задача о взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолями также является актуальной.

Частью аэрозольной компоненты атмосферы является жидкокапельный аэрозоль. Он — один из основных факторов, определяющих ослабление света в атмосфере, поэтому представляется важным исследовать наиболее характерные эффекты, которые реализуются при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с каплями.

Можно выделить три характерные особенности фемтосекундного лазерного излучения. Одной из особенностей является высокая временная когерентность в цуге импульсов при частотно — импульсном режиме работы лазерного источника. Это может привести к специфическим эффектам взаимодействия цуга таких импульсов и капельной среды, поскольку слабопоглощающая капля является высокодобротным резонатором [6,7].

Другой особенностью, характерной для фемтосекундного лазерного излучения, является возможность частотной модуляции (чирпирования) световых импульсов. Здесь важно исследовать как будет проявляться режим чирпирования при взаимодействии с каплями-резонаторами. Аналогичная задача — влияние частотной модуляции импульса на характер рассеяния света, появляется при исследовании взаимодействия суперконтинуального излучения, возникающего при нестационарной самофокусировке фемтосекундного импульса в атмосфере с её капельной фракцией.

Третьей особенностью фемтосекундного лазерного излучения является высокая пиковая интенсивность в импульсах. При воздействии такого излучения на микрочастицы создаются благоприятные условия для возникновения целого класса нелинейных эффектов: двухфотонное поглощение, генерация третьей гармоники, оптический пробой. При реализации оптического пробоя внутри капель становится необходимым исследование эффекта взрывного разрушения микрочастиц. Это важно для задачи распространения последовательности фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере, поскольку взрыв капель под действием одного из импульсов может вызвать ухудшение условий распространения последующих импульсов.

Работы по фемтосекундной оптике аэрозолей представляют самостоятельный интерес и для другой области оптических исследований — оптики микрорезонаторов. Использование высокодобротных мод частицы-микрорезонатора является перспективным для создания оптических биодатчиков [8], полимерного оптического волокна [9], наноструктурных полупроводников [10], фотонных кристаллов [11], микролазеров[12] и квантовых компьютеров [13]. Кроме того, микрочастицы могут также послужить базовым элементом для реализации устройств в виде капсулированых пленок или экранов с аэрозольным покрытием.

Состояние вопроса исследований.

Совершенствование информационных систем с целью повышения их быстродействия и компактности, ориентация на энергои ресурсосберегающие технологии в связи с проблемами экологии выдвигают в настоящее время дисперсную среду в качестве удобного объекта реализации миниатюрных устройств на основе одиночных микрочастиц или микроволокна. Это связано с тем, что слабопоглощающие диэлектрические микрочастицы действуют как оптические резонаторы и, как следствие, в них реализуются высокодобротные электромагнитные моды, типа мод «шепчущей галереи» (МШГ). Выявление подобных резонансных мод дало толчок исследованиям преобразований оптического излучения резонаторами на основе микрочастиц. В последние годы исследования в этом направлении расширяются, поскольку были экспериментально продемонстрированы возможности микрочастиц по реализации различных нелинейных оптических эффектов, в частности, получена лазерная генерация на модах «шепчущей галереи» в твердых микрочастицах и каплях, вынужденное комбинационное рассеяние, генерация третьей гармоники и другие физические явления.

Микрочастицы являются распространенными объектами в природе и технике. Микрорезонатор на основе диэлектрической микрочастицы различного вида симметрии (сферической, цилиндрической, эллипсоидальной и т. д.) имеет ряд существенных преимуществ перед обычным линейным резонатором, среди которых — снижение порога реализации различных нелинейных явлений, сильная фокусировка излучения, малая чувствительность к разрушению и перегреву благодаря масштабному эффекту прочности, удобное согласование микросфер и микроцилиндров с оптическими волокнами.

Теория оптического пробоя газов, конденсированных и твердых сред изучена к настоящему времени достаточно подробно в широком спектральном и временном интервале лазерного излучения. Главной особенностью слабопоглощающей сферической частицы является то, что рассеяние на ней лазерного излучения сопровождается существенным увеличением интенсивности оптического поля во внутренних зонах, расположенных вблизи освещенной и теневой ее поверхностей. Кроме того, за счет фокусирующего эффекта сферической поверхности происходит подъем интенсивности поля и за частицей, в области ее геометрической тени, причем степень данного увеличения может достигать нескольких порядков величины для оптически «крупных» частиц. Малая пространственная протяженность фемтосекундного импульса, которая становится сопоставимой с размером частицы, приводит к существенно нестационарному характеру процесса рассеяния, что, в свою очередь, сказывается на временной динамике и достижимых уровнях интенсивности внутреннего и внешнего оптических полей.

Капли, находясь в полях мощного светового излучения, вследствие эффектов испарения или взрыва изменяют свои оптические характеристики и оказывают влияние на оптические свойства окружающей среды. Это приводит к тому, что процесс распространения интенсивного лазерного излучения в частице носит характер самовоздействия и способен изменить внутреннюю энергетику капли за счёт возникновения областей оптического пробоя. На основе эксперимента [14] наглядно был показан процесс разрушения водной капли под действием мощного фемтосекундного лазерного импульса.

В настоящее время в научной литературе активно обсуждаются вопросы, связанные с распространением мощного ультракороткого излучения в атмосфере и* перспективой использования эффектов нелинейного взаимодействия для диагностики ряда атмосферных характеристик [15−19]. Высокая пиковая мощность, достигаемая в фемтосекундных импульсах, обусловливает их распространение в атмосфере в режиме самоканализации и сильной пространственно-временной фазовой само модуляции.

В результате динамического баланса, устанавливающегося между фокусирующим эффектом керровской нелинейности и дефокусирующим действием плазмы, возникающей при многофотонной ионизации среды в канале излучения, происходят филаментация пучка и обогащение частотного спектра излучения с образованием суперконтинуума (СК). Спектральная ширина этого излучения достаточно велика. Так, для исходного излучения с центральной длиной волны А-о = 800 нм спектр суперконтинуума захватывает УФи ближнюю ИК-области спектра [16,20]. С помощью такого широкополосного источника становится реальным детектирование одновременно на многих частотах газовых и аэрозольных компонентов атмосферы и загрязняющих ее веществ [17, 18].

Цель и основные задачи.

Целью работы является теоретическое исследование особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля.

Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи:

— исследованы особенности формирования внутреннего оптического поля прозрачной сферической частицы при рассеянии на ней одиночного и последовательности фемтосекундных лазерных импульсов;

— исследованы интегральные оптические характеристики линейного рассеяния света на аэрозольных частицах сферической формы при облучении их последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов и су пер континуальным излучением;

— изучены закономерности изменения эффективного объемного поглощения прозрачной микрочастицы при её оптическом пробое под действием сверхкороткого лазерного излучения;

— развита теоретическая модель разрушения слабопоглощающих водных микрочастиц под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов, проведены оценки степени взрывного испарения областей парообразования капли и её влияния на деформацию и разрушение частицы.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями о взаимодействии излучения с прозрачными частицами, а также соответствием известным экспериментальным данным. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.

Научная новизна работы.

Изучены особенности формирования внутреннего оптического поля частицы при облучении её цугом сверхкоротких лазерных импульсов и установлены основные параметры, влияющие на временное поведение и энергетические 8 характеристики поля, которыми являются длительность лазерных импульсов, характерные времена жизни резонансных мод, а также скважность следования импульсов. Анализ показал, что уменьшение скважности между воздействующими импульсами, приводит к увеличению интенсивности внутреннего поля в зоне его максимума, при этом растёт и время существования поля в частице. Характерные времена спадания интенсивности и существования поля в частице даются временем жизни наиболее высокодобротной из возбуждаемых резонансных мод.

На основе нестационарной теории Ми получены аналитические выражения для интегральных оптических характеристик сферических частиц (фактор эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния), облучаемых последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов. ' Проведены численные расчёты данных характеристик при облучении частиц различных размеров в трёх режимах: непрерывным лазерным излучением, одиночным импульсом и цугом фемтосекундных лазерных импульсов при вариации длительности и скважности следования лазерных импульсов. Показано, что основным отличием частотно-импульсного режима рассеяния излучения на сферической микрочастице от рассеяния на ней моноимпульса излучения является возможность своеобразной фазировки отдельных импульсов в цуге с возбуждающимися резонансными модами частицы, что приводит к количественным изменениям факторов эффективности.

Установлено, что возможно повысить эффективность резонансного возбуждения мод «шепчущей галереи» путем варьирования скважности следования световых импульсов в цуге в комбинации с линейной частотной модуляцией каждого импульса (чирпированием). Варьированием скважности следования импульсов производится настройка на резонанс, а изменение глубины чирпирования позволяет концентрировать энергию в нужных спектральных интервалах. В микронных водных каплях данный эффект наиболее выражен для излучения, состоящего из импульсов пикосекундной длительности по сравнению с воздействием на частицу цуга фемтосекундных импульсов. Получен более чем двукратный прирост в интенсивности оптического поля возбуждаемой МТТТГ.

Проведены численные расчеты факторов эффективности рассеяния, поглощения и обратного рассеяния водных частиц в поле квазибелого света излучения с широким спектральным диапазоном), возникающего при самофокусировке мощного фемтосекундного импульса в атмосфере. Исследовано поведение данных интегральных оптических характеристик для широкого диапазона размеров капель, перекрывающего спектр частиц туманов и облаков, и проведено сравнение с факторами рассеяния для монохроматического излучения и широкополосного излучения фемтосекундного импульса.

Установлено, что в поле суперконтинуального свечения, возникающего при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с частицей водного аэрозоля наиболее ярко выражен эффект сглаживания оптических характеристик светорассеяния при изменении размера частицы. Данный эффект максимально выражен для факторов эффективности рассеяния и обратного рассеяния.

Изучены особенности формирования очагов оптического пробоя в микрочастице под действием сверхкороткого лазерного импульса, а также оценены размеры и энергия областей плазмообразования. Данные характеристики, определяются исходя из максимума интенсивности внутреннего оптического поля капли.

Установлены особенности изменения поглощательных свойствах водной микрочастицы при оптическом пробое под действием сверхкороткого лазерного излучения. Проведены расчеты коэффициента «плазменного» поглощения, а также его максимального и усредненного по объему капли значения.

Развита модель взаимодействия мощного сверхкороткого лазерного излучения с водными микрочастицами различной начальной микроструктуры в условиях взрывного испарения. Разработанная модель позволяет прогнозировать условия, при которых будет происходить разрушение микрочастицы. Проведена оценка степени испарения и энергетического порога газодинамического взрыва.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты исследований расширяют представления о физике процесса взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с атмосферным аэрозолем. Практическая сторона работы связана с обоснованием физических основ новых методов лазерной дистанционной диагностики параметров дисперсных сред. Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для областей лазерной физики, связанных с разработкой микролазеров и элементов оптоэлектроники.

Результаты работы использованы при выполнении грантов РФФИ № 03−564 228, № 06 — 05−64 799, № 06−05−96 962, гранта CRDF RPO-1390-TO-03, а также в проектах РАН, СО РАН, ОФН.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Возбуждение оптических резонансов в слабопоглощающих водных каплях ультракоротким лазерным излучением происходит с большей эффективностью при использовании цуга импульсов. Существует оптимальная скважность следования импульсов излучения, при которой достигается максимальное значение интенсивности внутреннего оптического поля в резонансной моде. Значение данной скважности обратно пропорционально относительной отстройке частоты возбуждающейся собственной моды от центральной частоты падающего излучения.

2. Рассеяние суперконтинуального излучения, формирующегося в воздушной среде в результате самовоздействия мощного фемтосекундного лазерного импульса, на частицах полидисперсного водного аэрозоля характеризуется слабым изменением усредненных по ансамблю частиц факторов эффективности рассеяния при вариации модального радиуса распределения капель по размерам.

3. При реализации оптического пробоя внутри водной микрочастицы под действием фемтосекундного лазерного излучения эффективный размер области плазменного поглощения возрастает с ростом интенсивности оптического поля и радиуса капли. При определенных соотношениях между размерами капли и областями энерговыделения может реализоваться процесс газодинамического взрыва микрочастицы.

Публикации.

Основные материалы диссертации представлены в 30 публикациях. Из них 6 статей (1 принята в печать) в рецензируемых журналах, 23 в тезисах и трудах научных конференций.

Апробация результатов.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на IX — XIV Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002;2007), III — V Международных конференциях молодых ученых и специалистов «0птика-2003, 2005, 2007» (Санкт-Петербург, 2003 — 2007), III — VI.

Международных школах молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2002 — 2007), II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2003), Региональной конференции молодых ученых по физике (Владивосток, 2003), X Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-10″ (Екатеринбург-Москва, 2004), VII Международной школе-семинаре молодых ученых „Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития“ (Томск, 2005), III, IV Международных конференциях „Фундаментальные проблемы оптики“ (Санкт-Петербург, 2004, 2006), XVI International Symposium on Gas Flow and Lasers & High Power Lasers Conference» (Австрия, 2006), семинарах лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий и отделения дистанционного зондирования ИОА СО РАН.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 118 листах, содержит 2 таблицы и 36 рисунков. Список цитируемой литературы составляет 93 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации выполнены теоретические исследования по изучению взаимодействия мощного фемтосекундного лазерного излучения с частицей водного аэрозоля. Проведен анализ закономерностей изменения микрофизических и оптических характеристик частицы в сильных световых полях.

Ниже сформулированы основные результаты, полученные в работе.

1. На основе аналитического решения уравнений Максвелла, полученного через представление световых полей в виде разложения в ряды по собственным электромагнитным модам диэлектрической сферы рассмотрена задача дифракции цуга фемтосекундных лазерных импульсов на аэрозольной частице малого поглощения. Основными параметрами, влияющими на временное поведение внутреннего поля частицы и его энергетические характеристики, являются длительность лазерных импульсов, характерные времена жизни резонансных мод, а таюке скважность следования импульсов. Анализ показал, что уменьшение скважности между воздействующими импульсами, приводит к увеличению интенсивности внутреннего поля в зоне его максимума. При этом растёт и время существования поля в частице, вследствие того, что спектр воздействующего излучения становится насыщенней по сравнению с одиночным импульсом и вероятность возбуждения высокодобротных резонансных мод частицы увеличивается. Характерные времена спадания интенсивности и существования поля в частице даются временем жизни наиболее высокодобротной из возбуждаемых резонансных мод. Времена жизни данных мод могут быть сравнимыми или значительно большими длительности лазерного импульса.

2. Исследованы особенности воздействия последовательности частотно-модулированных (чирпированных) ультракоротких лазерных импульсов на сферический микрорезонатор. Определена возможность повышения эффективности резонансного возбуждения мод «шепчущей галереи» путём варьирования скважности следования световых импульсов в цуге в комбинации с чирпированием каждого импульса.

3. Получены аналитические выражения для интегральных оптических характеристик сферических частиц (фактор эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния), облучаемых последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов. Проведены численные расчёты данных характеристик при облучении частиц различных размеров в трёх режимах: непрерывным лазерным излучением, одиночным импульсом и цугом фемтосекундных лазерных импульсов при вариации длительности и скважности следования лазерных импульсов.

Установлена особенность взаимодействия последовательности фемтосекундных лазерных импульсов с прозрачной сферической частицей, которая заключается в возможности своеобразной фазировки отдельных импульсов в цуге с возбуждающимися резонансными модами частицы, что приводит к количественным изменениям факторов эффективности рассеяния. Данный эффект максимален для факторов эффективности поглощения и обратного рассеяния, и менее выражен для остальных интегральных характеристик.

4. Численные расчёты интегральных оптических характеристик рассеяния широкополосного светового сигнала, моделирующего реально наблюдающееся суперконтинууальное излучение фемтосекундного лазера после взаимодействия с атмосферой на слабопоглощающих сферических частицах показали, что в поле такого излучения наиболее ярко выражен эффект сглаживания оптических характеристик светорассеяния при изменении радиуса частицы. Можно считать, что факторы эффективности рассеяния и обратного рассеяния обнаруживают слабую зависимость от размера капель, начиная примерно с х = 100, что для Х0 =0.8 мкм соответствует радиусу частицы а0- 13 мкм.

В ансамбле полидисперсных частиц с функцией распределения по размерам, моделирующей атмосферные облака, наблюдается плавное уменьшение усредненного фактора эффективности рассеяния с ростом модального размера частиц и его асимптотическое стремление к значению равному 2, а усредненный фактор обратного рассеяния при этом слабо варьирует около постоянного уровня равного 1,5.

5. Исходя из особенностей формирования очагов оптического пробоя в микрочастице под действием сверхкороткого лазерного импульса были оценены размеры и энергия областей плазмообразования. Данные характеристики определяются исходя из максимума интенсивности внутреннего оптического поля капли и их изменение пропорционально изменению размера частицы.

Установлены особенности изменения поглощательных свойствах водной микрочастицы при оптическом пробое под действием сверхкороткого лазерного излучения. Проведены расчеты коэффициента «плазменного» поглощения, а также его максимального и усредненного по объему капли значения. При этом максимальный коэффициент поглощения в областях плазмообразования составляет ~ 2 мкм" 1, а его усредненное по объёму капли значение-0,1 мкм" 1.

6. Предложена модель разрушения капли под действием мощного фемтосекундного импульса. В основу модели положен эффект гидродинамической неустойчивости деформированной частицы под действием реакции отдачи от высокоскоростного выброса пароконденсата из области пробоя, с высокой температурой и давлением образовавшихся в результате оптического пробоя. Локальная степень испарения в областях плазмообразования имеет тенденцию к увеличению с ростом размера капли и повышением интенсивности падающего излучения. Теоретически введен критерии разрушения — энергия деформации капли, которая пропорциональна квадрату массы испарившейся жидкости при газодинамическом расширении области капли Разработанная модель позволяет прогнозировать условия, при которых будет происходить разрушение микрочастицы.

Проведено качественное сравнение выводов модели с имеющимися экспериментальными данными зарубежных исследователей. Теоретические выводы качественно описывают экспериментально полученные данные: взрывной эффект, возрастает с увеличением интенсивности падающего излучения. Это связано с увеличением области плазмообразования для случая воздействия импульсов с большой интенсивностью. Данное увеличение приводит к вовлечению большей массы жидкости в газодинамическое расширение и, следовательно, к образованию большей массы пара, с которым и связывается степень взрывного эффекта.

В заключение автор считает своим приятным догом выразить признательность и благодарность руководителю доктору физ.-мат. наук Гейнцу Ю. Э., научному консультанту доктору физ.-мат. наук Землянову А. А., а также доктору физ.-мат. наук Погодаеву В. А., кандидату физ.-мат. наук Кабанову A.M. за научное сотрудничество, за плодотворные дискуссии, постоянную поддержку и интерес к исследованиям.

Показать весь текст

Список литературы

  1. С.А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. М.: Наука, 1998. 655 с.
  2. А.А., Гейнц Ю. Э. Эффективность возбуждения резонансных пространственных конфигураций внутреннего оптического поля сферических микрочастиц фокусированными лазерными пучками // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. N 5. С. 447−456.
  3. Rairoux P., Schillinger Н., Niedermeier S., Rodriguez М., Ronneberger F., Sauerbrey R., Stein В., Wedekind C., Woste L. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort // Appl. Phys. 2000. B71. P. 573−580.
  4. Э.М., Назаркин A.B., Прокопович И. П. Динамика мощного фемтосекундного импульса в комбинационно-активной среде // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.55. Вып. 4. с.223−227.
  5. С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С. Оптика фемтосекундных импульсов. М.: Наука, 1988.312 с.
  6. Ю.Э., Землянов А. А., Зуев В. Е., Кабанов A.M., Погодаев В. А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999, 260 с.
  7. А.А., Гейнц Ю. Э. Резонансное возбуждение светового поля в слабопоглощающих сферических частицах фемтосекундным лазерным импульсом. Особенности нелинейно-оптических взаимодействий // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 5. С. 349−359.
  8. Vollmer, F., D. Braun, A. Libchaber, М. Khoshsima, I. Teraoka, S. Arnold. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity // Appl. Phys. Lett. 80, pp. 40 574 059 (2002).
  9. Karine Etourneau and Jacques Marcou. Characterization of the core-cladding interface of a polymer optical fibre by excitation of whispering gallery modes // Pure Appl. Opt. 6, pp. 707−715 (1997).
  10. Vladimir Pokropivny. Nanostructured superconductors: from granular through wire towards high-Tc nanotubular 2D composites // Int. J. of Nanotechnology, V. 1, Nos. ½, pp. 170−192 (2004).
  11. Jian Fu, Sailing Fhe, Sanshui Xiao Analysis of channel-dropping tunnelling processes in photonic crystals with multiple vertical multi-mode cavities // J. Phys. A: Math. Gen., 33, pp. 7761−7771 (2000).
  12. Ю.И., Джамалов А. Ш., Коваль А. И., Реутов А. Т. Автоволны в многозвенной оптической линии передачи на основе связанных двухсекционных лазеров // Радиоэлектроника. Известия ВУЗов. Т.34, № 7, с. 6−12(1991).
  13. К. А. Валиев. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления. // УФН. 2005.Т. 175. № 1. С. 3.
  14. A. Lindinger, J. Hagen, L.D. Socaciu, T.M. Bernhardt, L. Woste, D. Duff, and T. Leisner. Time- resolved explosin dynamics of H2O droplets induced by femtosecond laser pulses. //Applied optics, V. 43, № 27, 2004.
  15. В.П., Косарева О. Г., Можаев Е. И., Тамаров М. П. Фемтосекундная нелинейная оптика атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 5. С. 429−436.
  16. Akozbek N., Scalora М., Bowden С.М., Chin S.L. White-light continuum generation and filamentation of ultra-short laser pulses in air // Opt. Commun. 2001. V. 191. P. 353−362.
  17. Mejean G., Kasparian J., Yu J., Frey S., Salmon E., Wolf J.-P. Remote detection and identification of biological aerosol using a femtosecond terawatt lidar system // Appl. Phys. B. 2004. V. 78. P. 535−537.
  18. ГейнцЮ.Э., Землянов A.A., Креков Г. М., КрековаМ.М., Матвиенко Г. Г. Распространение фемтосекундного лазерного излучения в облачном аэрозоле: моделирование методом Монте-Карло // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. № Ю. С.827−834.
  19. А.А., Гейнц Ю. Э. Филаментация мощного частотно-модулированного фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере на вертикальной трассе // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. № 10. С.868−872.
  20. Debye P. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material // Ann. Phys. (Leipzig). 1909. P. 57−136.
  21. Mie G. Beitrage zur Optik triiber Medien, speziell kolloidaler Metallosungen // Ann. Phys. (Leipzig). 1908. V. 25. № 25. P. 377−445.
  22. Chylek P. Partial-wave resonances and the ripple structure in the Mie normalized extinction cross section. // J. Opt. Soc. Am. 1976. V. 66. № 3. P. 285−287.
  23. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ, 1961. 536 с.
  24. К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.- Л.: ГИТТЛ, 1951, 288 с.
  25. К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
  26. А.Н., Творогов С. Д. Рассеяние импульса света на сферических частицах с большим показателем преломления // Журнал прикладной спектроскопии. 1976. Т. 20. Вып. 1. С. 140.
  27. Дж.А. Теория электромагнетизма. М.- Л.: ОГИЗ, 1948. 540 с.
  28. Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966.518 с.
  29. В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука, 1967. 460 с.
  30. Aden A.L., Kerker М. Scattering of electromagnetic waves from two concentric spheres// J. Appl. Phys. 1951. V. 22. P. 1242−1245.
  31. Kaiser Т., Lange S., Schweiger G. Structural resonances in a coated sphere: investigation of the volume-avereged source function and resonance position // Appl. Opt. 1994. V. 33. № 33. P. 7789−7797.
  32. Я.И. Динамика квантовых генераторов // Квантовая радиофизикаю Т.2. М.: Сов. Радио. 1975. 496 с.
  33. А.А., Гейнц Ю. Э. Нелинейные эффекты вынужденного рассеяния света в сферических частицах // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 10, С. 935−944.
  34. Yee K.S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell’s Equations in Isotopic Media // IEEE Trans. Ant. Prop. 1966. V. Ap-14. № 3.P. 302−307.
  35. Yang P., Liou K.N., Mishchenko M.I., and Bo-Cai Gao. Efficient finite-difference time-domain scheme for light scattering by dielectric particles: application to aerosols //Applied Optics. 2000. V. 39. № 21. P. 3727−3737.
  36. Fuchs R., Kliewer K.L. Optical modes of vibration in an ionic crystal sphere // J. Opt. Soc. Am. 1968. V. 58. № 3. P. 319−330.
  37. П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. № 2. С. 95.
  38. Barton J.P., Alexander D.R., and Schaub S.A. Internal fields of a spherical particle illuminated by a tightly focused laser beam: focal point positioning effects at resonance // J. Appl. Phys. 1989. V. 65. P. 2900.
  39. И.С. Радиотехнические цепи и сигналы // М.: Советское радио. 1971. 672 с.
  40. А.А., Гейнц Ю. Э., Апексимов Д. В. Рассеяние цуга фемтосекундных лазерных импульсов сферической микрочастицей: временная динамика внутреннего оптического поля // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 12. с. 1075−1079.
  41. Shifrin K.S., Zolotov I.G. Quasi-stationary scattering of electromagnetic pulses by spherical particles // Applied Optics. 1994. V. 33. № 9. P. 7798−7804.
  42. A.A., Гейнц Ю. Э. Интенсивность оптического поля внутри слабопоглащающей сферической частицы освещенной фемтосекундным лазерным импульсом // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 96. № 2. С. 337−344.
  43. N6ckel J.U., Chang R.K. 2-d Microcavities: Theory and experiments, in Cavity-Enhanced spectroscopies, edited by R.D. van Zee and J.P.Looney // V.40 of «Experimental Methods in the Physical Sciences». Academic Press. 2002. PP. 185 226.
  44. Kasparian J., Sauerbrey R., Chin S.L. The critical laser intensity of self-guided light filaments in air // Appl. Phys. B. 2000. V. 71. P. 877.
  45. Braun A., Korn G., Liu X., Du D., Squier J., Mourou G. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air // Opt. Lett. 1995. V.20. P.73.
  46. Nibbering E.T.J., Curley P.F., Grillon G" Prade B.S., Franco M.A., Salin F., Mysyrowicz A. Conical emission from self-guided femtosecond pulses in air // Opt. Lett. 1996. V.21.P. 62.
  47. Theberge F., Liu W., Luo Q., Chin S.L. Ultrabroadband continuum generated in air (down to 230 nm) using ultrashort and intense laser pulses // Appl. Phys. B, 2005. V. 80.P.221.
  48. Luo Q., Liu W., Chin S.L. Lasing action in air induced by ultrafast laser filamentation // Appl. Phys. B. 2003. V. 76. P.337.
  49. Brodeur A., Chien C.Y., Ilkov F.A., Chin S.L., Kosareva O. G., Kandidov V.P. Moving focus in the propagation of ultrashort laser pulses in air // Opt. Lett 1997. V. 22. P. 304.
  50. Mechain G., D’Amico C., Andre Y.-B., Tzortzakis S., Franco M., Prade В., Mysyrowicz A., Couairon A., Salmon E., Sauerbrey R. Length of plasma filaments created in air by a multiterawatt femtosecond laser // Opt. Comm. 2005. V.247. P. 171.
  51. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Stepanov A.N., Sergeev
  52. A.M. Ionization spectrum broadening and frequency blue-shift of high-intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Appl. Phys. B. 2002. V. 75. P. 509.
  53. Ranka J.K., Windeler R.S., StentzA.J. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm // Opt. Lett. 2000. V. 25, P. 25.
  54. Fedotov A.B., Zheltikov A.M., Tarasevitch A.P., von der Linde D. Enhanced spectral broadening of short laser pulses in high-numerical-aperture holey fibers // Appl. Phys.1. B. 2001. V. 73. P. 181.
  55. B.E. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: Советское радио, 1970. 496 с.
  56. А.В. Динамика сферической частицы в мощном оптическом поле //Изв. Вузов. Физика. 1970. № 5. С. 89−94
  57. В .П., Прахов М. С. // В кн.: Тезисы докл. V Всесоюзн. симп. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1979. ч. III. С. 56
  58. Mullaney G.J., Christiansen W.H., Russel D.A. Fog dissipation using a C02-laser // Appl. Phys. Lett. 1968. V.13. № 14. P. 145−147.
  59. В.П., Колосов M.A., Пожидаев B.H., Соколов А. В. Взаимодействие лазерного излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов с водным аэрозолем // Изв. вузов. Физика. 1977. Т.20. № 11. С. 133 153.
  60. В.В., Сорокин С. А. Взрывы водных капель под действием оптического излучения // Квантовая электроника. 1973. Т. 14. № 2. С. 5−11.
  61. Н.В., Погодаев В. А., Чистякова JI.K. О связи неоднородностей внутреннего оптического поля облученной капли с ее взрывом. // Квантовая элекроника. 1975. Т.2. № 5. С. 1062−1064.
  62. Zhao Х.М., Diels J.-D., Wang C.Y., Elizondo J.M. Femtosecond ultraviolet laser pulse induced lightning discharges in gases // IEEE J. Quantum Electron. 1995. V. 31. pp. 599−612.
  63. Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987. 592 с.
  64. Vogel A., Noack J., Nahen К., Theisen D., Busch S., Parlitz U., Hammer D.X., Noojin G.D., Rockwell B.A., Birngruber R. Energy balance of optical breakdown in water at nanosecond to femtosecond time scales // Appl. Phys. В., 1999. V. 68. Pp. 271−280.
  65. Zuev V.E., Zemlyanov A.A., Kopytin Yu. D., Kuzikovskii A.V. High-power laser radiation in atmospheric aerosols. Dordrecht. Holland: D. Reidel Publ. Corp. 1984. 291 p.
  66. O.A., Седунов Ю. С., Семенов Л. П. Распространение интенсивного лазерного излучения в облаках. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1982. 312 с.
  67. Теплофизические свойства жидкостей в метастабилыюм состоянии. Справочник/Скрипов В.П., Синицын Е. Н., Павлов П. А. и др. М.: Атомиздат, 1980.208с.
  68. Л.Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука. 1988. 735 с.
  69. Г. Гидродинамика. М.-Л.: Гостехиздат. 1947. 467 с.
  70. Л.А. К теории дробления капли потоком газа // Инж. Журнал. 1963. Т. 27. В. 3. С. 544−557.81.0'Rourke P.J., Amsden A.A. The TAB method for numerical calculation of spray droplet breakup // SAE 872 089. 1987.
  71. Н.А., Истратов А. Г., Либрович В. В. К кинетике деформации и дробления жидкой капли в газовом потоке. // Механика жидкости и газа. 1969. № 1. С.8−16.
  72. Schmehl R. Advanced modeling of droplet deformation and breakup for CFD analysisthof mixture preparation // In 8 International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, ILASS-Europe 2002. Zaragoza.
  73. Ф.А., Орленко Л. П., Станюкович К. П., Челышев В. П., Шехтер Б. И. Физика взрыва. М.: Наука. 1975. 326 с.
  74. Рид Р., Прауениц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия. 1982. 592 с.
  75. Д.В., Гейнц Ю. Э., Землянов А. А. Факторы эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на прозрачной сферической частице // Известия Вузов. Физика. Т.51. № 3. с.33−36.
  76. Д.В., Гейнц Ю. Э., Землянов А. А. Рассеяние излучения суперконтинуума на сферических частицах при филаментации лазерного фемтосекундного импульса в воздушной среде // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19, № 07. с. 588−592.
  77. Talebpour A., Petit S., Chin S.L. Refocusing during the propagation of a focused femtosecond Ti: Sapphire laser pulse in air // Opt. Commun. 1999. V. 171. N4−6. P. 285−290.
  78. Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966. 476 с.
  79. М., Вольф Э. Основы оптики. М.:Наука, 1970. 855 с.
  80. P., Kiehl J.T., Ко M.K.W. Narrow resonance structure in the Mie scattering characteristics. //Appl. Opt. 1978. V.17. № 19. P. 3019−3021.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!