Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 1, стр. 29-34
Об аналитических подходах, описывающих динамику пучка, распространяющегося в режиме многофотонной ионизации
В. А. Халяпин 1, 2, *, А. Н. Бугай 3
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
“Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта”
Калининград, Россия
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Калининградский государственный технический университет”
Калининград, Россия
3 Международная межправительственная организация
“Объединенный институт ядерных исследований”
Дубна, Россия
* E-mail: slavasxi@gmail.com
Поступила в редакцию 24.08.2021
После доработки 06.09.2021
Принята к публикации 22.09.2021
- EDN: OOFJGL
- DOI: 10.31857/S0367676522010148
Аннотация
На основе метода моментов и подхода, связанного с приосевым приближением, рассмотрена задача о распространении пучка в режиме многофотонной ионизации. Получена система уравнений на параметры пучка и найдены условия квазиустойчивого распространения. Результаты аналитических подходов верифицированы с помощью численного эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что в средах с кубической нелинейностью пучки, планарные сигналы и трехмерные импульсы неустойчивы [1]. В то же время интенсивные сигналы способны генерировать плазму за счет фотоионизации и формировать плазменный канал, вдоль которого распространение может быть квазиустойчивым [2–11]. В настоящей работе рассматривается динамика оптических пучков, распространяющихся в режиме многофотонной ионизации, и рассматривается вопрос об их устойчивости с помощью двух аналитических методов: метода моментов [1, 12–14] и метода приосевого приближения [11, 15]. Представляется интересным сравнить результаты этих методов с численным экспериментом и выявить наиболее адекватный.
МЕТОД МОМЕНТОВ
В настоящей работе рассматривается динамика филаментов, распространяющихся в режиме многофотонной ионизации, с помощью метода моментов и подхода, связанного с приосевым приближением. Уравнения, описывающие соответствующую динамику, имеют вид [11]
(1)
$\begin{gathered} \frac{{\partial \psi }}{{\partial z}} - i\gamma \psi {{\left| \psi \right|}^{2}} - \frac{{i\mu }}{2}{{\Delta }_{ \bot }}\psi + \eta \left( {1 + i\frac{\omega }{\nu }} \right){{N}_{e}}\psi + \\ + \,\,\Phi \frac{{{{\sigma }^{{\left( n \right)}}}{{I}^{n}}}}{{{{{\left| \psi \right|}}^{2}}}}\psi = 0, \\ \end{gathered} $(2)
$\frac{{\partial {{N}_{e}}}}{{\partial t}} = {{\sigma }^{{\left( n \right)}}}\left( {{{N}_{0}} - {{N}_{e}}} \right){{I}^{n}} - \beta N_{e}^{2}.$Здесь $\psi $ – огибающая электрического поля, $z$ – координата распространения, $\eta = {{2\pi {{e}^{2}}\nu } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi {{e}^{2}}\nu } {\omega {{m}_{e}}{{k}_{0}}{{c}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {\omega {{m}_{e}}{{k}_{0}}{{c}^{2}}}}$ – параметр, связанный с электронной плазмой, e, ${{m}_{e}}$ – заряд и масса электрона соответственно, $c$ – скорость света в вакууме, ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 \mu }} \right. \kern-0em} \mu } = {{k}_{0}}$ = ${{2\pi {{n}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi {{n}_{0}}} {{{\lambda }_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{\lambda }_{0}}}}$ = = ${{\omega {{n}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\omega {{n}_{0}}} c}} \right. \kern-0em} c},$ ${{n}_{0}}$ – линейный показатель преломления, $\omega - $ несущая частота, $\nu $ – частота столкновения электронов с атомами, ${{\lambda }_{0}}$ – длина волны света в вакууме, ${{N}_{0}}$ – плотность нейтральных молекул, ${{N}_{e}}$ – плотность электронов, $\gamma = {{3\pi {{\chi }^{{\left( 3 \right)}}}\omega } \mathord{\left/ {\vphantom {{3\pi {{\chi }^{{\left( 3 \right)}}}\omega } {2{{n}_{0}}c}}} \right. \kern-0em} {2{{n}_{0}}c}}$ – параметр, определяющий кубическую нелинейность, ${{\chi }^{{\left( 3 \right)}}}$ – нелинейная восприимчивость третьего порядка, I – интенсивность, ${{\sigma }^{{\left( n \right)}}}$ – коэффициент $n$ – фотонной ионизации, $\beta $ – коэффициент рекомбинации электронов с положительными ионами. В соответствии с [11] можно найти равновесную электронную плотность ${{N}_{{eq}}}$ как решение уравнения (2) с нулевой производной
(3)
${{N}_{{eq}}} = \sqrt {\frac{{{{N}_{0}}\tilde {\sigma }{{{\left| \psi \right|}}^{{2n}}}}}{\beta }} ,$В аналитических расчетах мы будем пренебрегать вкладом поглощения. Численный эксперимент, приведенный ниже, поможет нам определить, на каких расстояниях такой подход будет справедлив. Сперва получим уравнения на параметры филамента, используя метод моментов [12]. Выберем пробную функцию в виде
(4)
$\psi = B\exp \left[ { - \frac{1}{2}{{{\left( {\frac{r}{R}} \right)}}^{2}} + i\left( {\phi - \frac{{\varepsilon {{r}^{2}}}}{{2{{R}^{2}}}}} \right)} \right],$(7)
$\varepsilon = \frac{i}{{2E}}\int\limits_0^\infty {\left( {\psi {\text{*}}{{\nabla }_{ \bot }}\psi - \psi {{\nabla }_{ \bot }}\psi {\text{*}}} \right)2\pi {{r}^{2}}dr} .$Здесь $E$ – величина, пропорциональная мощность пучка $P = {{c{{n}_{0}}E} \mathord{\left/ {\vphantom {{c{{n}_{0}}E} {8\pi }}} \right. \kern-0em} {8\pi }}.$
Дифференцируя (5)–(7) по $z$ и используя (4), получаем систему уравнений
(9)
$\frac{{d{{R}^{2}}}}{{dz}} = \frac{{i\mu }}{E}\int\limits_0^\infty {\left( {\psi {{\nabla }_{ \bot }}\psi {\text{*}} - \psi {\text{*}}{{\nabla }_{ \bot }}\psi } \right)2\pi {{r}^{2}}dr} ,$(10)
$\frac{{d\varepsilon }}{{dz}} = \frac{1}{E}\int\limits_0^\infty {\left( { - \gamma r{{{\left| \psi \right|}}^{2}}{{\nabla }_{ \bot }}{{{\left| \psi \right|}}^{2}} - \mu {{{\left| {{{\nabla }_{ \bot }}\psi } \right|}}^{2}} + \frac{{\eta \omega }}{\nu }r{{{\left| \psi \right|}}^{2}}{{\nabla }_{ \bot }}{{N}_{{eq}}}} \right)} 2\pi rdr.$Выражение для фаз $\phi $ можно получить из уравнения
(11)
$\int\limits_0^\infty {\left( {\psi {\text{*}}\frac{{\partial \psi }}{{\partial z}} - \psi \frac{{\partial \psi {\text{*}}}}{{\partial z}} - 2i\gamma {{{\left| \psi \right|}}^{4}} + 2i\eta {{N}_{{eq}}}{{{\left| \psi \right|}}^{2}} - \frac{{i\mu }}{2}\left( {\psi {\text{*}}{{\Delta }_{ \bot }}\psi + \psi {{\Delta }_{ \bot }}\psi {\text{*}}} \right)} \right)} 2\pi rdr = 0.$Следуя методу моментов, получаем систему уравнений
(14)
$\frac{{d\varepsilon }}{{dz}} = - \frac{1}{{{{L}_{D}}{{\rho }^{2}}}}\left( {1 + {{\varepsilon }^{2}}} \right) + \frac{1}{{{{L}_{N}}{{\rho }^{2}}}} - \frac{1}{{{{L}_{{{\eta }}}}{{\rho }^{n}}}},$(15)
$\frac{{d\varphi }}{{dz}} = - \frac{1}{{{{L}_{D}}{{\rho }^{2}}}} + \frac{3}{{2{{L}_{N}}}} - \frac{{\left( {n + 1} \right)}}{{n{{L}_{\eta }}}}$.Здесь $\rho = {R \mathord{\left/ {\vphantom {R {{{R}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}_{0}}}}$ – относительный радиус, ${{R}_{0}}$ – начальный радиус, ${{L}_{D}} = {{R_{0}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{R_{0}^{2}} \mu }} \right. \kern-0em} \mu },$ ${{L}_{N}} = {2 \mathord{\left/ {\vphantom {2 {\gamma {{B}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {\gamma {{B}^{2}}}},$ Lη = (n + + 2)2${{\sqrt \beta } \mathord{\left/ {\vphantom {{\sqrt \beta } {4n\eta {{B}^{n}}\sqrt {\tilde {\sigma }{{N}_{0}}} }}} \right. \kern-0em} {4n\eta {{B}^{n}}\sqrt {\tilde {\sigma }{{N}_{0}}} }}$ – характерные дифракционная, нелинейная и ионизационная длины. Величина $E$ пропорциональна мощности пучка $P = {{c{{n}_{0}}E} \mathord{\left/ {\vphantom {{c{{n}_{0}}E} {8\pi }}} \right. \kern-0em} {8\pi }}.$ Решая (12)–(14), получаем уравнение, аналогичное второму закону Ньютона для частицы единичный массы в потенциальном поле
Здесь $U$ – имеет смысл энергии частицы в потенциальной яме. С точностью до константы интегрирования находим
(17)
$U = - \left( {\frac{{{{L}_{D}}}}{{{{L}_{N}}}} - 1} \right)\frac{1}{{2L_{D}^{2}{{\rho }^{2}}}} + \frac{1}{{n{{L}_{D}}{{L}_{{{\eta }}}}{{\rho }^{n}}}}.$Устойчивое стационарное распространение пучка возможно, если выполняются условия
Отсюда с учетом (17) находим
Условие (20) можно переписать в виде
(22)
$\frac{1}{{{{R}_{0}}}} = \sqrt {\frac{{\pi I}}{{{{P}_{c}}}} - \frac{{4n\eta {{k}_{0}}{{I}^{{{n \mathord{\left/ {\vphantom {n 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}}}{{{{{\left( {n + 2} \right)}}^{2}}}}\sqrt {\frac{{{{\sigma }^{{\left( n \right)}}}{{N}_{0}}}}{\beta }} } ,$(23)
${{P}_{c}} = \frac{{c{{n}_{0}}}}{{4{{k}_{0}}\gamma }} = \frac{{с\lambda _{0}^{2}{{n}_{0}}}}{{24{{\pi }^{3}}{{\chi }^{{\left( 3 \right)}}}}}.$Таким образом, стационарное решение для плоского фронта и начального радиуса, определяемого согласно (22), имеет вид
(24)
$\begin{gathered} \psi = \frac{{8\pi I}}{{c{{n}_{0}}}} \times \\ \times \,\,\exp \left[ { - \frac{1}{2}{{{\left( {{{{\frac{r}{R}}}_{0}}} \right)}}^{2}} + i\left( { - \frac{1}{{{{L}_{D}}}} + \frac{3}{{2{{L}_{N}}}} - \frac{{\left( {n + 1} \right)}}{{n{{L}_{{{\eta }}}}}}} \right)z} \right]. \\ \end{gathered} $МЕТОД ПРИОСЕВОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ
Применим другой аналитический подход к решению данной задачи. Для этого пробное решение (4) подставляем в (1) и рассматриваем приосевую область пучка (${{{{r}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{r}^{2}}} {{{R}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}^{2}}}} \ll 1$). Это позволяет в нелинейных слагаемых использовать разложение ${{\left| \psi \right|}^{n}} \approx {{B}^{n}}\left( {{{1 - n{{r}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{1 - n{{r}^{2}}} {2{{R}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {2{{R}^{2}}}}} \right).$ Приравнивая слагаемые перед нулевой и второй степенями $r$ и отделяя действительную и мнимую части, находим систему уравнений
(27)
$\frac{{d\varepsilon }}{{dz}} = - \frac{1}{{{{L}_{D}}{{\rho }^{2}}}}\left( {1 + {{\varepsilon }^{2}}} \right) + \frac{4}{{{{L}_{N}}{{\rho }^{2}}}} - \frac{1}{{{{L}_{{{\eta }}}}{{\rho }^{n}}}}{{\left( {\frac{n}{2} + 1} \right)}^{2}},$(28)
$\frac{{d\varphi }}{{dz}} = - \frac{1}{{{{L}_{D}}{{\rho }^{2}}}} + \frac{2}{{{{L}_{N}}}} - \frac{1}{{n{{L}_{{{\eta }}}}}}{{\left( {\frac{n}{2} + 1} \right)}^{2}}.$Легко показать, что из (25) и (26) можно перейти к выражению (12). Сравнивая систему (12)–(15) и (25)–(26), можно заметить, что линейные слагаемые у них одинаковы, а различия проявляются в нелинейных слагаемых (кубическая нелинейность и ионизация). Для этого подхода начальный радиус пучка, при котором реализуется квазиустойчивый баланс между нелинейностью, дифракцией и ионизационной расходимостью, определяется следующим образом
(29)
$\frac{1}{{{{R}_{0}}}} = \sqrt {\frac{{4\pi I}}{{{{P}_{c}}}} - n\eta {{k}_{0}}{{I}^{{{n \mathord{\left/ {\vphantom {n 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}\sqrt {\frac{{{{\sigma }^{{\left( n \right)}}}{{N}_{0}}}}{\beta }} } .$Из сравнения (22) и (29) видно, что без учета вклада ионизации критическая мощность, определяемая с помощью метода моментов, в четыре раза больше таковой, получаемой с помощью приосевого приближения. Слагаемые же, связанные с ионизацией, по-разному себя ведут в зависимости от $n.$ Стационарное решение в этом подходе определяется согласно
(30)
$\begin{gathered} \psi = \frac{{8\pi I}}{{c{{n}_{0}}}}\exp \,\left[ { - \frac{1}{2}{{{\left( {{{{\frac{r}{R}}}_{0}}} \right)}}^{2}} + } \right. \\ \left. { + \,\,i\left( { - \frac{1}{{{{L}_{D}}{{\rho }^{2}}}} + \frac{2}{{{{L}_{N}}}} - \frac{1}{{n{{L}_{{{\eta }}}}}}{{{\left( {\frac{n}{2} + 1} \right)}}^{2}}} \right)z} \right]. \\ \end{gathered} $ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Представляет интерес численное исследование, которое позволит выявить, какой из подходов дает лучшие результаты в рамках данной задачи. В качестве среды рассмотрим воздух, где основной вклад в образование плазмы дает кислород. Материальные параметры, входящие в уравнения (1), (2) для импульсов на длине волны 248.6 нм, взяты из [11].
Как видно из рис. 1 метод моментов и приосевое приближение дают различные предсказания для стационарного радиуса филамента в зависимости от его интенсивности. Отметим, что существует верхний предел по интенсивности филамента. Рассматриваемые подходы дают для данного предела различие примерно в 2.5 раза.
Проведем теперь численное интегрирование исходной системы уравнений в частных производных (1), (2), задав в качестве начальных условий выражения (24) и (30), предсказывающие стационарный режим распространения филамента методом моментов и приосевым приближением, соответственно. Краевые условия соответствуют нулевым значениям поля и концентрации электронов на границе области.
Результаты расчетов для начальной пиковой интенсивности ${\rm I} = 1.8 \cdot {{10}^{{12}}}\,\,{\text{Вт}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - {\text{2}}}}}$ приведены на рис. 2 и 3. В этом случае метод моментов и приосевое приближение дают близкие предсказания для стационарного радиуса филамента, ${{R}_{0}} = 70$ нм и ${{R}_{0}} = 63$ нм, соответственно. Как показывает моделирование, метод моментов дает лучший результат в рамках данной задачи. Амплитуда и радиус филамента отличаются от теоретического предсказания не более чем на 5% (рис. 2а, рис. 3а), в то время как в противоположном случае развивается осцилляционной режим относительно среднего значения амплитуды на 20% меньше ожидаемого (рис. 2а, рис. 3б). Для начальной пиковой интенсивности $I = 3 \cdot {{10}^{{12}}}\,\,{\text{Вт}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - {\text{2}}}}}$ приосевое приближение предсказывает отсутствие устойчивого режима. В этом случае численное моделирование (1), (2) с начальным условием (24), где ${{R}_{0}} = 68$ нм, показывает хорошее соответствие с предсказанием метода моментов аналогично пунктирной кривой на рис. 2а. При интенсивностях ${\rm I} = 1.6 \cdot {{10}^{{12}}}\,\,{\text{Вт}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - {\text{2}}}}}$ и меньше предсказание приосевого приближения для квазистационарного режима не оправдывается, а развивается дефокусировка филамента.
Следует отметить, что рассматриваемый баланс носит квазиустойчивый характер вследствие влияния нелинейного поглощения. Характерный масштаб проявления эффектов поглощения за счет потерь энергии на ионизацию среды можно оценить как ${{L}_{{abs}}} = {B \mathord{\left/ {\vphantom {B {(\Phi {{\sigma }^{{\left( n \right)}}}{{I}^{n}})}}} \right. \kern-0em} {(\Phi {{\sigma }^{{\left( n \right)}}}{{I}^{n}})}}.$ Как следует из рис. 2б, квазиустойчивый филамент постепенно теряет энергию, а его радиус при этом изменяется незначительно (рис. 3в, 3г). Таким образом, поглощение не приводит к распаду филамента, а лишь к ослаблению его интенсивности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получено аналитическое описание распространения филаментов в режиме взаимной компенсации эффектов дифракции и ионизационной расходимости, с одной стороны, и самофокусировки, с другой. С помощью метода моментов и метода приосевого приближения проанализирована динамика филаментов в газе в режиме многофотонной ионизации (для произвольного порядка процесса ионизации). Получены условия квазистационарного распространения филамента. Следует отметить, что более простое математически приосевое приближение следует использовать с осторожностью в данной задаче, так как происходит недооценка роли профиля импульса. Численное моделирование показывает, что потери на ионизацию не приводят к распаду филамента, а лишь к ослаблению его интенсивности, вследствие чего рассмотренный режим можно считать квазиустойчивым.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-02-00234а).
Список литературы
Kivshar Yu.S., Agrawal G.P. Optical solitons: from fibers to photonic crystals. N.Y.: Academic Press Inc., 2003.
Couairon A. // Eur. Phys. J. D. 1996. V. 27. P. 159.
Henz S., Herrmann J. // Phys. Rev. E. 2006. V. 53. Art. No. 4092.
Sprangle P., Penano J.R., Hafizi B. // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. Art. No. 046418.
Esarey E., Sprangle P., Ting A. // Quant. Electron. 1997. V. 33. P. 1879.
Sprangle P., Esarey E., Krall J. // Phys. Rev. E. 1996. V. 54. Art. No. 4211.
Penano J., Palastro J.P., Hafizi B. et al. // Phys. Rev. A. 2017. V. 96. Art. No. 013829.
Couairon A., Mysyrowicz A. // Phys. Rep. 2007. V. 441. P. 47.
Chekalin S.V., Dokukina E.A., Dormidonov A.E. et al. // J. Phys. B. 2015. V. 48. Art. No. 094008.
Воронин А.А., Желтиков А.М. // УФН. 2016. Т. 186. № 9. С. 957; Voronin A.A., Zheltikov A.M. // Phys. Usp. 2016. V. 59. P. 869.
Schwarz J., Diels J.C. // Phys. Rev. A. 2001. V. 65. Art. No. 013806.
Santhanam J., Agraval G. // Opt. Commun. 2003. V. 222. P. 413.
Власов С.Н., Петрищев В.А., Таланов В.И. // Изв. вузов. Радиофиз. 1971. Т. 14. № 9. С. 1453.
Маймистов А.И. // ЖЭТФ. 1993. Т. 104. № 5. С. 3620.
Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В. // УФН. 1967. Т. 93. С. 19; Akhmanov S.A., Sukhorukov A.P., Khokhlov R.V. // Sov. Phys. Usp. 1968. V. 10. P. 609.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия физическая