Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с жидкими
advertisement
«Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà», 24, ¹ 8 (2011) ÓÄÊ 621.378.33, 535.621.33 Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ æèäêèìè ñðåäàìè. ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè ðàññåÿíèÿ íà ìèëëèìåòðîâûõ âîäíûõ êàïëÿõ Î.À. Áóêèí2, Å.Å. Áûêîâà1, Þ.Ý. Ãåéíö1, Ñ.Ñ. Ãîëèê3, À.À. Çåìëÿíîâ1, À.À. Èëüèí3, À.Ì. Êàáàíîâ1, Ã.Ã. Ìàòâèåíêî1, Â.Ê. Îøëàêîâ1, Å.Á. Ñîêîëîâà2, Ð.Ð. Õàáèáóëëèí1* 1 Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû èì. Â.Å. Çóåâà ÑÎ ÐÀÍ 634021, ã. Òîìñê, ïë. Àêàäåìèêà Çóåâà, 1 2 Èíñòèòóò àâòîìàòèêè è ïðîöåññîâ óïðàâëåíèÿ ÄÂÎ ÐÀÍ 690041, ã. Âëàäèâîñòîê, óë. Ðàäèî, 5 3 Äàëüíåâîñòî÷íûé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò 690950, ã. Âëàäèâîñòîê, óë. Ñóõàíîâà, 8 Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 7.02.2011 ã. Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé âçàèìîäåéñòâèÿ ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ãèãàâàòòíîé ìîùíîñòè ñ ïîäâåøåííûìè êàïëÿìè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû ìèëëèìåòðîâûõ ðàçìåðîâ. Èññëåäîâàíî óãëîâîå ðàñïðåäåëåíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ñâå÷åíèÿ âîäíîé ÷àñòèöû. Êëþ÷åâûå ñëîâà: ôåìòîñåêóíäíîå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå, âîäíàÿ êàïëÿ, ôîòîèîíèçàöèÿ, îïòè÷åñêèé ïðîáîé, èñïàðåíèå, âçðûâíàÿ ôðàãìåíòàöèÿ ÷àñòèöû, ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ; femtosecond laser radiation, water droplet, photoionization, optical breakdown, evaporation, particle explosive fragmentation, phase modulation. Ìèêðî÷àñòèöû æèäêîñòè èëè òâåðäîôàçíîãî âåùåñòâà â ôîðìå ñôåð íåèçìåííî âûçûâàþò ïîâûøåííûé èíòåðåñ ñïåöèàëèñòîâ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ëàçåðíîé ôèçèêè â ïëàíå ðåàëèçàöèè ðàçíîîáðàçíûõ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, òàêèõ êàê âûíóæäåííîå êîìáèíàöèîííîå ðàññåÿíèå [1], ìíîãîôîòîííî âîçáóæäåííàÿ ôëóîðåñöåíöèÿ è âûíóæäåííîå èçëó÷åíèå [2–4], ãåíåðàöèÿ òðåòüåé [5] è áîëåå âûñîêèõ ãàðìîíèê [6], à òàêæå øèðîêîïîëîñíîãî îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà [7]. Ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ ìèêðî÷àñòèö â íåëèíåéíîé îïòèêå ñâÿçàíû, ïðåæäå âñåãî, ñ èõ ñïîñîáíîñòüþ ôîêóñèðîâàòü ïàäàþùåå íà ÷àñòèöó èçëó÷åíèå, ÷òî ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííîìó óâåëè÷åíèþ èíòåíñèâíîñòè âíóòðåííåãî îïòè÷åñêîãî ïîëÿ è çàìåòíîìó ñíèæåíèþ ïîðîãîâ íåëèíåéíûõ ïðîöåññîâ ñâåòîðàññåÿíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñïëîøíîé ñðåäîé. * Îëåã Àëåêñååâè÷ Áóêèí (o_bukin@mail.ru); Åëåíà Åâãåíüåâíà Áûêîâà (bee@iao.ru); Þðèé Ýëüìàðîâè÷ Ãåéíö (ygeints@iao.ru); Ñåðãåé Ñåðãååâè÷ Ãîëèê (golik_s@mail.ru); Àëåêñàíäð Àíàòîëüåâè÷ Çåìëÿíîâ (zaa@iao.ru); Àëåêñåé Àíàòîëüåâè÷ Èëüèí (kunashir@gmail.com); Àíäðåé Ìèõàéëîâè÷ Êàáàíîâ (kam@iao.ru); Ãåííàäèé Ãðèãîðüåâè÷ Ìàòâèåíêî (mgg@iao.ru); Âèêòîð Êîíñòàíòèíîâè÷ Îøëàêîâ (ovk@iao.ru); Åêàòåðèíà Áîðèñîâíà Ñîêîëîâà (mastapes@ mail.ru); Ðàâèëü Ðàôàýëüåâè÷ Õàáèáóëëèí (ravil_xp@ mail.ru). 648 Âûñîêàÿ ïèêîâàÿ èíòåíñèâíîñòü, õàðàêòåðíàÿ äëÿ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ, ÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì ôàêòîðîì, îáëåã÷àþùèì âîçáóæäåíèå íåëèíåéíûõ ýôôåêòîâ â àýðîçîëüíûõ ÷àñòèöàõ, â ÷àñòíîñòè îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ [6, 7] è âçðûâíîãî ðàçðóøåíèÿ æèäêèõ ÷àñòèö [8]. Âíóòðè îáëó÷åííîé ïðîçðà÷íîé êàïëè â ìåñòàõ íàèáîëüøåé êîíöåíòðàöèè ñâåòîâîé ýíåðãèè çà âðåìÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà ôîðìèðóþòñÿ ïëàçìåííûå î÷àãè, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îáëàñòÿìè àêòèâíîãî ïîãëîùåíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ è ïîñëåäóþùåé ýìèññèè ñâåòà â øèðîêîé ïîëîñå ñïåêòðà. Âûñîêàÿ íàïðàâëåííîñòü ýìèññèè ïëàçìû â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè (íà èñòî÷íèê) îòêðûâàåò îïðåäåëåííûå ïåðñïåêòèâû äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ àýðîçîëüíûõ ÷àñòèö â ìåòîäèêàõ ëàçåðíîé äèñòàíöèîííîé äèàãíîñòèêè õèìè÷åñêîãî è ìèêðîáèîëîãè÷åñêîãî ñîñòàâà äèñïåðãèðîâàííîãî âåùåñòâà àòìîñôåðû è îêåàíà [3].  íàøèõ ïðåäûäóùèõ ñòàòüÿõ [9, 10] áûëè ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ïåðâûõ â Ðîññèè êîìïëåêñíûõ ýêñïåðèìåíòîâ, ïðîâåäåííûõ â îáúåäèíåííîé ëàáîðàòîðèè ÈÀèÏÓ ÄÂÎ ÐÀÍ è ÄÂÃÓ ñîâìåñòíî ñ ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ, ïî âçàèìîäåéñòâèþ ìîùíûõ óëüòðàêîðîòêèõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ êîíäåíñèðîâàííûìè ñðåäàìè.  ÷àñòíîñòè, áûëè èññëåäîâàíû äèíàìèêà âçðûâíîãî ðàçðóøåíèÿ è ñïåêòðû ñâå÷åíèÿ ïîäâåøåííûõ ìèëëèìåòðîâûõ âîäíûõ êàïåëü, îáëó÷åííûõ ãèãàâàòòíûì èçëó÷åíèåì ôåì- Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð. òîñåêóíäíîãî òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ÿðêîñòü, à òàêæå ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ âîçíèêàþùåãî ñâå÷åíèÿ êàïåëü çàâèñÿò îò íà÷àëüíîé ìîùíîñòè âîçäåéñòâóþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøîé èíòåíñèâíîñòè îáëó÷åíèÿ â ñïåêòðàõ ñâå÷åíèÿ êàïëè âûäåëÿëèñü ýìèññèîííûå ëèíèè àòîìàðíîãî êèñëîðîäà è âîäîðîäà. Ôèçè÷åñêàÿ ïðèðîäà íàáëþäàåìîãî ñâå÷åíèÿ êàïëè áûëà îáúÿñíåíà äåéñòâèåì äâóõ ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ, ñâÿçàííûõ ñ òåïëîâûì èçëó÷åíèåì íàãðåòîé äî âûñîêèõ òåìïåðàòóð æèäêîñòè è ôàçîâîé ñàìîìîäóëÿöèåé ñâåòîâîãî èìïóëüñà ïðè åãî íåëèíåéíîì ðàñïðîñòðàíåíèè âíóòðè æèäêîé êàïëè. Íàñòîÿùàÿ ñòàòüÿ ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèåì óïîìÿíóòûõ âûøå ïóáëèêàöèé è ñîäåðæèò ýêñïåðèìåíòàëüíóþ èíôîðìàöèþ ïî õàðàêòåðèñòèêàì óãëîâîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ ïîäâåøåííûìè âîäíûìè êàïëÿìè ïðè èõ îñâåùåíèè ôåìòîñåêóíäíûìè ëàçåðíûìè èìïóëüñàìè. Àêöåíò íàìè ñäåëàí íà óñòàíîâëåíèè îñîáåííîñòåé â ñïåêòðàëüíîì íàïîëíåíèè ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ â ðàçëè÷íûõ ÷àñòîòíûõ äèàïàçîíàõ è âûÿñíåíèè âîçìîæíûõ ïðè÷èí, ïðèâîäÿùèõ ê íàáëþäàþùèìñÿ çàêîíîìåðíîñòÿì. Ýêñïåðèìåíòàëüíûé ñòåíä, íà êîòîðîì ïðîâîäèëèñü èññëåäîâàíèÿ, ïîäðîáíî îïèñàí â [9]. Îí âêëþ÷àë â ñåáÿ èñòî÷íèê ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ñîáðàííûé ïî ñõåìå CPA (Chirped Pulse Amplification) íà áàçå êðèñòàëëà Ti:Sapphire è ðàáîòàþùèé â ÷àñòîòíî-èìïóëüñíîì ðåæèìå ñî ñëåäóþùèìè ïàðàìåòðàìè èìïóëüñîâ: íåñóùàÿ äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ λ0 = 800 íì, øèðèíà ñïåêòðà 35 íì, ýíåðãèÿ â èìïóëüñå äî 0,9 ìÄæ, äëèòåëüíîñòü ∼ 40 ôñ ïðè ãàóññîâñêîì òèïå âðåìåííîé çàâèñèìîñòè, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 1 êÃö. Âîçäåéñòâóþùèé ëàçåðíûé ïó÷îê äèàìåòðîì 7 ìì (ïî óðîâíþ 1/e2) ñ ïîìîùüþ ëèíçû ñ ôîêóñíûì ðàññòîÿíèåì f = 200 ìì ôîêóñèðîâàëñÿ â îáëàñòü âçàèìîäåéñòâèÿ. Êàïëè äèñòèëëèðîâàííîé âîäû ñî ñðåäíèì äèàìåòðîì 2a0 = 2÷5 ìì ïîäâåøèâàëèñü íà êîíöå èãëû, ïðè ýòîì òî÷êà ïîäâåñà áûëà ñìåùåíà îòíîñèòåëüíî ôîêóñà ïó÷êà íà ðàññòîÿíèå 24 ìì ïî íàïðàâëåíèþ ê èñòî÷íèêó. Ñïåêòðàëüíûå èçìåðåíèÿ ñâå÷åíèÿ êàïåëü ïðîâîäèëèñü ñïåêòðîìåòðîì, ñíàáæåííûì äèôðàêöèîííîé ðåøåòêîé è ñîãëàñóþùåé îïòèêîé, ÷òî îáåñïå÷èâàëî ðåãèñòðàöèþ ñèãíàëà â äèàïàçîíå äëèí âîëí îò 195 äî 1150 íì. Ðàçìåð êàïëè â ýêñïåðèìåíòå êîíòðîëèðîâàëñÿ ïî àíàëèçó åå ôîòîãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ, âûïîëíåííîãî ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì. Ïîñêîëüêó âñëåäñòâèå âëèÿíèÿ ïîäâåñà è ãðàâèòàöèè ôîðìà êàïëè íåñêîëüêî îòëè÷àëàñü îò ñôåðè÷åñêîé, òî â äàëüíåéøåì ïðè ïðåäñòàâëåíèè äàííûõ ïîä èñòèííûì ðàäèóñîì êàïëè a0 áóäåì ïîíèìàòü åå ñðåäíèé ðàäèóñ, âû÷èñëÿåìûé êàê a0 = (a⊥ + a||)/2, ãäå a|| è a⊥ – ïîëóøèðèíà èçîáðàæåíèÿ êàïëè ïàðàëëåëüíî è ïîïåðåê âîçäåéñòâóþùåãî èçëó÷åíèÿ ñîîòâåòñòâåííî.  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû äâà ôîòîñíèìêà êàïëè âîäû, íàõîäÿùåéñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì öóãà óëüòðàêîðîòêèõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ. Ëàçåð à á Ðèñ. 1. Îïòè÷åñêèé ïðîáîé è ñâå÷åíèå âîäíîé êàïëè ñ a0 ≈ 1 ìì, îáëó÷åííîé öóãîì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ, çàôèêñèðîâàííûå ïðè ðàçëè÷íîé âðåìåííîé âûäåðæêå: 1/500 ñ (à) è 1 ñ (á). Èçëó÷åíèå ïàäàåò ñëåâà Ôîòîãðàôèè ïîëó÷åíû ïðè ðàçëè÷íîé âðåìåííîé âûäåðæêå çàòâîðà (1/500 è 1 ñ) è ïðè ðàçëè÷íîì óâåëè÷åíèè îáúåêòèâà. Íà îáîèõ ñíèìêàõ îò÷åòëèâî íàáëþäàåòñÿ ñâå÷åíèå êàïëè, ïðè÷åì âèäèìàÿ ÷àñòü ñïåêòðà ýòîãî ñâå÷åíèÿ èìååò êðàñíîâàòîîðàíæåâûé öâåò, áëèçêèé ïî öâåòîâîé ãàììå ê èçëó÷åíèþ He–Ne-ëàçåðà. Êàê ïîêàçûâàåò ðèñ. 1, à, ñâåòÿùèåñÿ îáëàñòè ðàñïîëàãàþòñÿ ïî âñåìó îáúåìó êàïëè, íî íàèáîëüøàÿ èõ ïëîòíîñòü íàáëþäàåòñÿ â òåíåâîé ïîëóñôåðå. Ïðè ýòîì çäåñü æå âèäíû ñâåòÿùèåñÿ âûáðîñû ïàðîêàïåëüíîé ñìåñè, íàïðàâëåííûå ïî õîäó ñâåòîâîãî ëó÷à è èìåþùèå ðàçìåð â ïîïåðå÷íèêå ∼ 100–150 ìêì. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñïåêòðû ðàññåÿííîãî íà ïîäâåøåííîé âîäíîé êàïëå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2 äëÿ òðåõ õàðàêòåðíûõ íàïðàâëåíèé: ïî õîäó ëàçåðíîãî ëó÷à (θ = 360°), ïîïåðåê (θ = 270°) è íàâñòðå÷ó ïó÷êó (θ = 191°). Çäåñü æå äëÿ ñðàâíåíèÿ ïîêàçàí ñïåêòðàëüíûé êîíòóð ïàäàþùåãî íà ÷àñòèöó ñâåòîâîãî èçëó÷åíèÿ. Êàê âèäíî èç ðèñ. 2, ñóùåñòâóåò îïðåäåëåííàÿ çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû è øèðèíû ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðåãèñòðèðóåìîãî ñèãíàëà îò óãëà ðàññåÿíèÿ.  îñíîâíîì ýòî êàñàåòñÿ äèàïàçîíà äëèí âîëí 600–1000 íì, â òî âðåìÿ êàê áîëåå êîðîòêîâîëíîâîå êðûëî ñïåêòðà ðàññåÿíèÿ (< 600 íì) Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè… 2*. 649 íå ïðåòåðïåâàåò âèäèìûõ èçìåíåíèé ôîðìû, à ïîâòîðÿåò õîä âîçäåéñòâóþùåãî èçëó÷åíèÿ. θ = 191° 270° 360° Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä. Ëàçåð Ïîäñâåòêà 200 400 600 800 1000 Äëèíà âîëíû, íì 200 400 600 800 1000 1200 Äëèíà âîëíû, íì Ðèñ. 2. Ñïåêòðàëüíàÿ çàâèñèìîñòü ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ (îòí. åä.) îò âîäíîé êàïëè a0 ≈ 1,5 ìì ïîä ðàçëè÷íûìè óãëàìè θ. Íà âñòàâêå – ñïåêòð ïàäàþùåãî ëàçåðíîãî èìïóëüñà Îòíîñèòåëüíî ñïåêòðà ïîñëåäíåãî îòìåòèì íàëè÷èå èñêàæåíèé åãî öåíòðàëüíîé ÷àñòè, îáóñëîâëåííûõ ñàìîâîçäåéñòâèåì ìîùíîãî ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç ôîêóñèðóþùóþ ñòåêëÿííóþ (KPX106AR.16, àíàëîã ðîññèéñêîé ÂÊ7) ëèíçó. Òàêæå íà âñòàâêå ê ðèñ. 2 âèäåí ðÿä ìàêñèìóìîâ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà (ëèíèè HgI ñ öåíòðàìè íà 435,83; 546,1; 576,96; 578,97; 579,07; 546,08 è 435,83 íì), ñâÿçàííûõ ñ èñïîëüçîâàíèåì âî âðåìÿ èçìåðåíèé ôîíîâîé ïîäñâåòêè ðòóòíîé (ãàëîôîñôàòíûé ëþìèíîôîð) ëàìïîé äíåâíîãî ñâåòà [11]. Áîëåå äåòàëüíî óãëîâîå ïîâåäåíèå óñðåäíåííîé ïî ðàçëè÷íûì ñïåêòðàëüíûì äèàïàçîíàì àìïëèòóäû ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ <I> ïîêàçûâàåò ðèñ. 3. 330 3400 345 315 Àìïëèòóäà, îòí. åä. Àìïëèòóäà, îòí. åä. 3500 300 3300 285 3200 270 3300 255 3400 3500 240 225 210 315 12000 8000 330 345 300 285 4000 270 4000 255 8000 240 12000 225 210 195 à 195 á Ðèñ. 3. Óñðåäíåííàÿ àìïëèòóäà ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ <I> îò âîäíîé êàïëè (a0 ≈ 1,5 ìì) â çàâèñèìîñòè îò óãëà θ â ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíàõ 450–600 (à) è 600–1100 íì (á). Èçëó÷åíèå ïàäàåò ñíèçó. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè äëÿ íàãëÿäíîñòè ñîåäèíåíû ëèíèåé Âåëè÷èíà <I> âû÷èñëÿëàñü êàê ñðåäíåàðèôìåòè÷åñêîå ïî ìàññèâó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ I(θ, λj), j = 1 … 2068, ñëåäóþùèì îáðàçîì: j2 < I(θ) > = 1 Ij (θ), j2 − j1 j = j ∑ 1 650 ãäå Ij(θ) = I(θ, λj), à èíäåêñû j1 è j2 âûáèðàëèñü èç óñëîâèÿ ñîîòâåòñòâèÿ âûáðàííîìó äèàïàçîíó äëèí âîëí. Áëàãîäàðÿ ðàçáèåíèþ ïîëíîãî ñïåêòðà íà ïîäûíòåðâàëû, ìîæíî óñëîâíî ðàçäåëèòü îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, òðàíñôîðìèðóþùèå ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ ðàññåÿííîãî êàïëåé èçëó÷åíèÿ. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýòî ñâå÷åíèå íàãðåòîé â ðåçóëüòàòå òåðìàëèçàöèè ïëàçìû âîäû, à òàêæå èçëó÷àòåëüíàÿ ðåêîìáèíàöèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â îáëàñòÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýòî ôàçîâàÿ ñàìîìîäóëÿöèÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðè åãî ðàñïðîñòðàíåíèè ÷åðåç âîäíóþ ñðåäó ïîä äåéñòâèåì îïòè÷åñêîãî ýôôåêòà Êåððà è ïëàçìåííîé äåôîêóñèðîâêè. Èç ðèñ. 3 ñëåäóåò, ÷òî äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ îò êàïëè â îáùåì ñëó÷àå íåèçîòðîïíà. Äîñòàòî÷íî ñëàáàÿ íåîäíîðîäíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ïî óãëó íàáëþäàåòñÿ â èíòåðâàëå äëèí âîëí λ = 450÷600 íì (ðèñ. 3, à), êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò «áåëîìó» ñâå÷åíèþ î÷àãîâ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âíóòðè êàïëè. Äèàïàçîí îòíîñèòåëüíîãî èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ïî ðàçëè÷íûì íàïðàâëåíèÿì çäåñü íå ïðåâûøàåò ∼ 70%. Ïðè ýòîì èçëó÷åíèå â çàäíþþ (θ ≤ 270°) ïîëóñôåðó êàïëè õàðàêòåðèçóåòñÿ áîëüøåé íàïðàâëåííîñòüþ, ò.å. òîëüêî îäíèì ìàêñèìóìîì ïðè θ = 195°, ïî îòíîøåíèþ ê èçëó÷åíèþ â ïåðåäíþþ ÷àñòü êàïëè, ãäå, êàê âèäíî, âîçíèêàþò ñðàçó äâà âûäåëåííûõ íàïðàâëåíèÿ ðàññåÿíèÿ ïîä óãëàìè 300 è 340°. Ïîäîáíàÿ äèàãðàììà ñâå÷åíèÿ ÷àñòèöû ðåàëèçóåòñÿ, íàïðèìåð, ïðè âîçáóæäåíèè ôëóîðåñöåíöèè ïîäêðàøåííûõ âîäíûõ êàïåëü â ðåçóëüòàòå îäíîâðåìåííîãî ïîãëîùåíèÿ íåñêîëüêèõ ôîòîíîâ âîçäåéñòâóþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ [2]. Èñõîäÿ èç ïðèâåäåííûõ â [12] ðåçóëüòàòîâ òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà äàííîãî ïðîöåññà, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ïðè÷èíà òàêîãî óãëîâîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî ñâåòà îáóñëîâëåíà ñàìîé ìîðôîëîãèåé æèäêîé ÷àñòèöû, èìåþùåé áëèçêóþ ê ñôåðè÷åñêîé ôîðìó ïîâåðõíîñòè è îêàçûâàþùåé ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå íà ïàäàþùåå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ïëàçìåííûå îáëàñòè, ÿâëÿþùèåñÿ èñòî÷íèêàìè «áåëîãî» ñâåòà, ñîñðåäîòî÷èâàþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â òåíåâîé ïîëóñôåðå êàïëè. Ýòî äåëàåò ñâå÷åíèå êàïëè íàïðàâëåííûì íàçàä (òàê íàçûâàåìûé, «ïðîæåêòîðíûé» òèï èçëó÷åíèÿ ïî òåðìèíîëîãèè [12]), à ïî õîäó äåéñòâèÿ âîçáóæäàþùåãî ïó÷êà íàáëþäàåòñÿ èçëó÷åíèå â øèðîêèé êîíóñ. Âòîðîé èç ðàññìàòðèâàåìûõ ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíîâ çàêëþ÷àåò â ñåáÿ îñíîâíóþ ìîùíîñòü ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, ýòî âèäíî ïî èçìåíåíèþ øêàëû îñè îðäèíàò íà ðèñ. 3, á. Äèàãðàììà ðàññåÿíèÿ ïî óãëó çäåñü ðåçêî íåîäíîðîäíàÿ ñ àáñîëþòíûì ìàêñèìóìîì ñèãíàëà â íàïðàâëåíèè 310°. Íåñêîëüêî ìåíüøèé ïî âåëè÷èíå ìàêñèìóì íàáëþäàåòñÿ ïîä óãëîì 330°, à ðàññåÿíèå âïåðåä è íàçàä ïðîèñõîäèò ïðèáëèçèòåëüíî ñ ðàâíîé èíòåíñèâíîñòüþ. Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò îêàçàëñÿ íåñêîëüêî íåîæèäàííûì, ïîñêîëüêó àïðèîðè ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî äëÿ îïòè÷åñêè êðóïíîé ñôåðû (a0 á λ0) ìàêñè- Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð. ìóì ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ â ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå èñõîäíîãî èçëó÷åíèÿ áóäåò íàõîäèòüñÿ â íàïðàâëåíèè, ñîâïàäàþùåì ñ íàïðàâëåíèåì äåéñòâèÿ ëàçåðíîãî ïó÷êà, ò.å. âïåðåä (θ 360°).  ñâÿçè ñ ýòèì íàìè áûëà èññëåäîâàíà ñïåêòðàëüíàÿ øèðèíà ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ Dλ, çàâèñèìîñòü êîòîðîé îò óãëà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4. α1 θ α2 n0 120 Dλ, íì 110 100 90 80 Ðèñ. 5. Ñõåìà ïàäåíèÿ ïó÷êà ñâåòîâûõ ëó÷åé íà ñôåðè÷åñêóþ ÷àñòèöó 70 60 50 40 30 20 Ëàçåð 200 220 240 260 280 300 320 340 360 θ, ãðàä Ðèñ. 4. Øèðèíà ñïåêòðà ðàññåÿííîãî îò êàïëè a0 ≈ 1,5 ìì èçëó÷åíèÿ â äèàïàçîíå 600–1100 íì â çàâèñèìîñòè îò óãëà ïðèåìà. Øòðèõîâàÿ ïðÿìàÿ – ñïåêòðàëüíàÿ øèðèíà ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ Ïàðàìåòð Dλ ðàññ÷èòûâàëñÿ êàê ïîëíàÿ ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêàÿ øèðèíà ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ (ñì. ðèñ. 1) â äèàïàçîíå äëèí âîëí 600–1100 íì. Îêàçàëîñü, ÷òî ïîä óãëîì ìàêñèìóìà àìïëèòóäû ðàññåÿíèÿ (310°) ðåàëèçóåòñÿ è íàèáîëüøàÿ øèðèíà ñïåêòðà. Äðóãèìè ñëîâàìè, â äàííîì íàïðàâëåíèè ñàìîâîçäåéñòâèå ëàçåðíîãî èìïóëüñà âíóòðè âîäíîé ÷àñòèöû, ïðèâîäÿùåå ê åãî øèðîêîìàñøòàáíûì ñïåêòðàëüíûì òðàíñôîðìàöèÿì, ïðîòåêàåò íàèáîëåå ýôôåêòèâíî. Î÷åâèäíî, ÷òî â äàííîì íàïðàâëåíèè è ðàñïîëàãàåòñÿ îñü ïó÷êà íà âûõîäå èç êàïëè. Ýòîò ôàêò ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, åñëè äîïóñòèòü, ÷òî âî âðåìÿ èçìåðåíèé ëàçåðíûé ïó÷îê îñâåùàë êàïëþ íå â åå ãåîìåòðè÷åñêèé öåíòð, à áûë ñìåùåí áëèæå ê êðàþ (ðèñ. 5). Âåëè÷èíó ýòîãî ñìåùåíèÿ ìîæíî îöåíèòü, âîñïîëüçîâàâøèñü ïðèáëèæåíèåì ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè. Ðàñ÷åòíûé äèàìåòð ôîêóñèðîâàííîãî âîçäåéñòâóþùåãî ïó÷êà â çîíå ðàñïîëîæåíèÿ âîäíîé ÷àñòèöû ðàâíÿëñÿ ∼ 600 ìêì, ò.å. ïëîùàäü ñâåòîâîãî ïÿòíà ñîñòàâëÿëà âñåãî îêîëî 5% ïî îòíîøåíèþ ê ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ êàïëè è îñâåùåíèå ÷àñòèöû ìîæíî ñ÷èòàòü ïðàêòè÷åñêè òî÷å÷íûì.  ðàìêàõ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè íàèáîëüøóþ èíòåíñèâíîñòü èìååò ñâåòîâîé ëó÷, èñïûòàâøèé òîëüêî äâà ïðåëîìëåíèÿ íà îñâåùåííîé è òåíåâîé ïîâåðõíîñòÿõ êàïëè. Óãîë âûõîäà θ ýòîãî ëó÷à (êîòîðûé ñîîòâåòñòâóåò îñè ïó÷êà), ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ñëåäóþùåé ôîðìóëå: θ = α1 + 2(180 – α2). Çäåñü α1 è α2 – óãëû ïàäåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî, ñâÿçàííûå çàêîíîì Ñíåëëèóñà: sinα1 = n0sinα2, ãäå n0 – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ âîäû. Íåñëîæíûé ðàñ÷åò ïðè n0 = 1,33, θ = 310° äàåò èñêîìîå çíà÷åíèå óãëà ïàäåíèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à α1 65°, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò åãî ñìåùåíèþ îò öåíòðà ñôåðû ê êðàþ íà 0,9 åå ðàäèóñà. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ âïîëíå ìîãëà ðåàëèçîâàòüñÿ â îáñóæäàåìûõ ýêñïåðèìåíòàõ, ïîñêîëüêó êîíòðîëèðîâàòü âçàèìíîå ïîëîæåíèå ëàçåðíîãî ïó÷êà è êàïëè áûëî çàòðóäíèòåëüíî. Îáðàòèìñÿ âíîâü ê ïðèâåäåííûì íà ðèñ. 2 ñïåêòðàì ðàññåÿííîãî êàïëåé èçëó÷åíèÿ è ðàññìîòðèì ïîäðîáíåå îäèí èç âîçìîæíûõ ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ èõ óøèðåíèÿ, ñâÿçàííûé ñ ôàçîâîé ñàìîìîäóëÿöèåé ëàçåðíîãî èìïóëüñà, ðàñïðîñòðàíÿþùåãîñÿ ÷åðåç âîäíóþ ÷àñòèöó. Îïòè÷åñêèé ýôôåêò Êåððà, êàê èçâåñòíî, ÿâëÿåòñÿ ïåðâîïðè÷èíîé ñàìîôîêóñèðîâêè ìîùíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ, âêëþ÷àÿ è æèäêîñòè. Ïî ìåðå ñâîåãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèå âûçûâàåò íåëèíåéíîå èçìåíåíèå ïîëÿðèçóåìîñòè ìîëåêóë ñðåäû, ÷òî âûðàæàåòñÿ â ïîÿâëåíèè ëèíåéíîé çàâèñèìîñòè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ îò èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâîé âîëíû, èñêàæåíèé åå ôàçîâîãî ôðîíòà è, êàê ñëåäñòâèå, óøèðåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà. Ïðè ìãíîâåííîì õàðàêòåðå êåððîâñêîé íåëèíåéíîñòè (ýòî ïðèáëèæåíèå ñïðàâåäëèâî äëÿ áîëüøèíñòâà êîíäåíñèðîâàííûõ ñðåä) óøèðåíèå ãàóññîâñêîãî ïî âðåìåíè ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðîèñõîäèò ðàâíîìåðíî â ñòîêñîâó è àíòèñòîêñîâó îáëàñòè ñïåêòðà. Ïðîãðåññèðóþùåå çà ñ÷åò ñàìîôîêóñèðîâêè óâåëè÷åíèå èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà ìîæåò ïðèâåñòè ê ôîòîèîíèçàöèè ñðåäû è ïîÿâëåíèþ ïëàçìû. Ôîðìèðóþùèéñÿ ïðè ýòîì ãàç ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ìåíÿåò îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ñðåäû è ñòðåìèòñÿ ïîíèçèòü åå êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ. Áëàãîäàðÿ âðåìåííîé èíåðöèîííîñòè ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ ãëàâíûì îáðàçîì èñêàæàåòñÿ çàäíÿÿ ÷àñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà è âîçíèêàåò äîïîëíèòåëüíîå óøèðåíèå ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ â «ñèíþþ» îáëàñòü. Äëÿ îöåíêè âåëè÷èíû íàêàïëèâàþùèõñÿ èñêàæåíèé ñïåêòðà ìîùíîãî ëàçåðíîãî èìïóëüñà çà ñ÷åò åãî ñàìîâîçäåéñòâèÿ âíóòðè âîäíîé ÷àñòèöû áûë âûïîëíåí ñîîòâåòñòâóþùèé ÷èñëåííûé ýêñïåðèìåíò. Äëÿ óïðîùåíèÿ ðàñ÷åòîâ êàïëÿ áûëà çàìåíåíà ýêâèâàëåíòíûì ïî òîëùèíå ñëîåì âîäû ïðîòÿæåííîñòüþ d = 2a0 (a0 = 1,5 ìì), à ôîêóñèðóþùåå äåéñòâèå Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè… 651 ñôåðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà «êàïëÿ–âîçäóõ» ìîäåëèðîâàëîñü âíåøíåé ôîêóñèðîâêîé ïàäàþùåãî íà âîäíûé ñëîé èçëó÷åíèÿ, ò.å. ïàðàáîëè÷åñêèì ôàçîâûì ôðîíòîì âîëíû ñ ðàäèóñîì êðèâèçíû f = d. Äèàìåòð ãàóññîâñêîãî ëàçåðíîãî ïó÷êà â ðàñ÷åòàõ ðàâíÿëñÿ 600 ìêì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà ñîñòàâëÿëà 40 ôñ (øèðèíà ñïåêòðà Dλ = 30 íì), ïîëíàÿ ýíåðãèÿ E0 = 0,9 ìÄæ. Ïðè ýòîì ïèêîâàÿ èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ I0 íà ïåðåäíåé ïîâåðõíîñòè âîäíîãî ñëîÿ äîñòèãàëà 4,5 ⋅ 1012 Âò/ñì2. ×èñëåííî ðåøàëîñü íåëèíåéíîå óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà äëÿ ìåäëåííî ìåíÿþùåéñÿ êîìïëåêñíîé àìïëèòóäû ñâåòîâîé âîëíû ïðè òèïè÷íûõ çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðîâ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè âîäû [13]. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ äèíàìèêè íîðìèðîâàííîé íà íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîé øèðèíû ñïåêòðà èìïóëüñà Dλ = Dλ (z) Dλ (z = 0) â çàâèñèìîñòè îò ïðîäîëüíîé êîîðäèíàòû z âíóòðè ñëîÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 6. Çäåñü æå ïðèâåäåíà è ïèêîâàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ïëàçìû Ne, âîçíèêàþùåé â âîäå ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. _ 8 Dλ _ Ne, ì–3 E 1,0 1 0,8 6 1026 0,6 0,4 4 1 1025 0 1 z, ìì 2 3 1024 2 2 0 1027 1 2 z, ìì 1023 140 1022 120 Ðèñ. 6. Íîðìèðîâàííàÿ ïîëóøèðèíà ñïåêòðà Dλ (1) è ïèêîâàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ Ne (2) ïðè ñàìîâîçäåéñòâèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà â âîäå â çàâèñèìîñòè îò äèñòàíöèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Íà âñòàâêå ïðèâåäåíà íîðìèðîâàííàÿ íà íà÷àëüíîå çíà÷åíèå ýíåðãèÿ E = E (z) E0 èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ Êàê âèäíî, â ðåçóëüòàòå ôàçîâîé ñàìîìîäóëÿöèè â ñëîå âîäû ëàçåðíûé èìïóëüñ ñïåêòðàëüíî óøèðÿåòñÿ, ïðè÷åì ýòî óøèðåíèå ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû ñîïîñòàâèìî ñ ðåãèñòðèðóåìûì â ýêñïåðèìåíòå çíà÷åíèåì ïîä óãëîì ìàêñèìóìà ñèãíàëà ðàññåÿíèÿ (ñì. ðèñ. 4 äëÿ θ = 310°). Çàìåòíîå óøèðåíèå ñïåêòðà èìïóëüñà íà÷èíàåòñÿ óæå ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ èì ïðèìåðíî ÷åòâåðòè äèàìåòðà êàïëè è âîçðàñòàåò ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ äèñòàíöèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Êîëè÷åñòâåííîå îòëè÷èå â çíà÷åíèÿõ ñïåêòðàëüíîãî óøèðåíèÿ â òåîðèè è ýêñïåðèìåíòå îáúÿñíÿåòñÿ, íà íàø âçãëÿä, äîñòàòî÷íî óïðîùåííîé ìîäåëüþ âîäíîé êàïëè, èñïîëüçîâàííîé â ðàñ÷åòàõ, êîòîðàÿ íå ó÷èòûâàåò ðåàëüíóþ òðàåêòîðèþ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ âíóòðè îñâåùåííîé â êðàé ñôåðè÷åñêîé ÷àñòèöû. Îòìåòèì, ÷òî óæå ïðîñòîå ñíèæåíèå îñòðîòû ôîêóñèðîâêè ëàçåðíîãî ïó÷êà ïóòåì 652 ïîâûøåíèÿ ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ f «âèðòóàëüíîé ëèíçû» â 2 ðàçà óìåíüøàåò ïî÷òè íà 40% ôèíàëüíîå çíà÷åíèå Dλ . Åñëè ãîâîðèòü î ïàðàìåòðàõ âîçíèêàþùåé â êàïëå ïîä äåéñòâèåì èìïóëüñà ïëàçìû, òî èç ðèñ. 6 ñëåäóåò, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, ãåíåðèðóåìûõ â âîäå â ðåçóëüòàòå åå ôîòîèîíèçàöèè óæå íà ïåðåäíåé ãðàíèöå ìîäåëüíîé âîäíîé ñðåäû, èìååò çíà÷åíèå, õàðàêòåðíîå äëÿ ôèëàìåíòàöèè ñâåòîâîãî ïó÷êà [13]. Ïðè ýòîì ïîïåðå÷íûé ðàçìåð îáðàçóþùåãîñÿ íà îñè ïó÷êà ïëàçìåííîãî êàíàëà, êàê ñëåäóåò èç ðàñ÷åòîâ (íå ïîêàçàíû çäåñü), ñîñòàâëÿåò âñåãî íåñêîëüêî ìèêðîìåòðîâ. Ïîýòîìó ïëàçìà ïîíà÷àëó íå âíîñèò êàêèõ-ëèáî ìàñøòàáíûõ èçìåíåíèé â ñïåêòðàëüíûå è ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ. Áëèæå ê äàëüíåé ãðàíèöå ñëîÿ æèäêîñòè, ãäå ðàñïîëàãàåòñÿ ôîêàëüíàÿ ïåðåòÿæêà ïó÷êà, çíà÷åíèÿ Ne äîñòèãàþò óæå ∼ 1026–1027 ì–3, ÷òî ãîâîðèò î ðåàëèçàöèè çäåñü óñëîâèé äëÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âîäû.  ýòîé çîíå ñòàíîâÿòñÿ ñóùåñòâåííûìè ïîòåðè ýíåðãèè E ñâåòîâîãî èìïóëüñà, ñâÿçàííûå ñ ïëàçìîîáðàçîâàíèåì (ñì. âñòàâêó ê ðèñ. 6), à ñïåêòð èçëó÷åíèÿ îáîãàùàåòñÿ.  çàêëþ÷åíèå ïðèâåäåì åùå îäèí ãðàôèê, ïîñòðîåííûé ïî ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì, êîòîðûé íàãëÿäíî èëëþñòðèðóåò òî, êàê äèñòàíöèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ â æèäêîñòè âëèÿåò íà åãî ñïåêòðàëüíóþ øèðèíó. Ðèñ. 7 ïîêàçûâàåò çàâèñèìîñòü ïàðàìåòðà Dλ, èçìåðåííîãî ïîä óãëîì ðàññåÿíèÿ 360°, îò ñðåäíåãî ðàäèóñà ïîäâåøåííîé âîäíîé êàïëè. Dλ, íì 100 80 60 1,0 1,5 a0, ìì Ðèñ. 7. Ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêàÿ øèðèíà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ, ðàññåÿííîãî ïîä óãëîì 360° îò âîäíûõ êàïåëü ðàçëè÷íîãî ðàäèóñà. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå òî÷êè ñîåäèíåíû îòðåçêàìè äëÿ íàãëÿäíîñòè Óæå èç ïðîñòîãî àíàëèçà îäíîìåðíîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ãàðìîíè÷åñêîé ñâåòîâîé âîëíû â ñðåäå ñ íåëèíåéíîñòüþ ñëåäóåò, ÷òî èçìåíåíèå ÷àñòîòû òàêîé âîëíû δω(z, t) íà äèñòàíöèè z îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç âðåìåííóþ ïðîèçâîäíóþ îò íåëèíåéíîé ôàçû âîëíû ϕN [14]: δω(z, t) = ∂ϕN(z, t)/∂t.  óñëîâèÿõ ïðåîáëàäàíèÿ â ñðåäå ýôôåêòîâ êåððîâñêîé ñàìîôîêóñèðîâêè è ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ, êîãäà ñâåòîâîé ïó÷îê ôèëàìåíòèðóåòñÿ è âíóòðè íåãî ôîðìèðóåòñÿ êâàçèïîñòîÿííûé ïî ïèêîâîé èíòåíñèâíîñòè è ïîïåðå÷íîìó ðàçìåðó ñâåòîâîé êàíàë, íåòðóäíî ïîêàçàòü [15], ÷òî ýôôåêòèâíàÿ øèðèíà ñïåêòðà òàêîãî Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý. è äð. èçëó÷åíèÿ áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà äëèíå ó÷àñòêà ôèëàìåíòàöèè, ò.å. â ðàññìàòðèâàåìîì çäåñü ñëó÷àå äèàìåòðó êàïëè: Dλ ∝ (2a0)∂nN/∂t, ãäå nN – çàâèñÿùàÿ îò ïàðàìåòðîâ èçëó÷åíèÿ è îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñðåäû íåëèíåéíàÿ äîáàâêà ê êîýôôèöèåíòó ïðåëîìëåíèÿ. Èìåííî òàêàÿ çàâèñèìîñòü è ïðîñëåæèâàåòñÿ íà ðèñ. 7.  öåëîì, èñõîäÿ èç àíàëèçà ïðåäñòàâëåííûõ äàííûõ, ìîæíî ñ âûñîêîé âåðîÿòíîñòüþ çàêëþ÷èòü, ÷òî îñíîâíîé ïðè÷èíîé øèðîêîìàñøòàáíîãî èçìåíåíèÿ ñïåêòðà ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïðè åãî ðàññåÿíèè íà ìèëëèìåòðîâîé âîäíîé êàïëå ÿâëÿåòñÿ ñàìîìîäóëÿöèÿ ôàçû èçëó÷åíèÿ âñëåäñòâèå îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè æèäêîñòè çà ñ÷åò ýôôåêòà Êåððà è ïëàçìîîáðàçîâàíèÿ. Ñïåêòðàëüíîå óøèðåíèå ðàññåÿííîãî íà ìèëëèìåòðîâîé êàïëå âîäû èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì çà èñêëþ÷åíèåì, ìîæåò áûòü, òîëüêî íàïðàâëåíèÿ íàçàä, è õàðàêòåðèçóåòñÿ ìàêñèìóìîì ïîä óãëîì 50° ê íàïðàâëåíèþ ïàäåíèÿ ïó÷êà íà êàïëþ. Ïî îòíîøåíèþ ê öåíòðàëüíîé äëèíå âîëíû ñïåêòðàëüíîå óøèðåíèå ïðîòåêàåò äîñòàòî÷íî ñèììåòðè÷íî â îáëàñòè êîðîòêèõ è äëèííûõ âîëí, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ïðåîáëàäàþùåé ðîëè â ïðîöåññå ñïåêòðàëüíûõ òðàíñôîðìàöèé èçëó÷åíèÿ ýôôåêòà Êåððà. Âêëàä «ïëàçìåííîé» ñîñòàâëÿþùåé â íåëèíåéíóþ ïîëÿðèçóåìîñòü âîäû è, ñëåäîâàòåëüíî, â ôàçîâóþ ñàìîìîäóëÿöèþ ëàçåðíîãî èìïóëüñà âûðàæåí çíà÷èòåëüíî ñëàáåå, à íàëè÷èå î÷àãîâ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ æèäêîñòè ïðîÿâëÿåòñÿ â îñíîâíîì â ïîÿâëåíèè øèðîêîïîëîñíîãî è ïðàêòè÷åñêè èçîòðîïíîãî ñâå÷åíèÿ êàïëè â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Óâåëè÷åíèå ðàçìåðà âîäíîé ÷àñòèöû ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ ñîïðîâîæäàåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì óøèðåíèåì ñïåêòðà íàáëþäàåìîãî ðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ, ïî êðàéíåé ìåðå â ïîïóòíîì ïàäàþùåìó èçëó÷åíèþ íàïðàâëåíèè. Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ÷àñòè÷íîé ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå ÐÔÔÈ (ãðàíò ¹ 09-05-00738à), Ôåäåðàëüíîãî àãåíòñòâà ïî îáðàçîâàíèþ (Ãîñ. êîíòðàêò ¹ Ï367), Ìèíèñòåðñòâà îáðàçîâàíèÿ è íàóêè (Ãîñ. êîíòðàêò ¹ Ï567), Ôåäåðàëüíîãî àãåíòñòâà ïî íàóêå è èííîâàöèÿì (Ãîñ. êîíòðàêò ¹ 02.740.11.0083, ¹ 02.740.11.0226), Èíòåãðàöèîííîãî ïðîåêòà ¹ 81 ÑÎ ÐÀÍ è ÄÂÎ ÐÀÍ (ãðàíò ¹ 09-II-ÑÎ-02-001), Ïðîåêòà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ÐÀÍ ¹ 9.1, Ïðîãðàììû 8.1 ÎÔÍ ÐÀÍ è Ëàâðåíòüåâñêîãî ãðàíòà ÑÎ ÐÀÍ. 1. Kasparian J., Wolf J.-P. A new transient SRS analysis method of aerosols and application to a nonlinear femtosecond lidar // Opt. Commun. 1998. V. 152, iss. 4–6. P. 355–360. 2. Hill S.C., Boutou V., Yu J., Ramstein S., Wolf J.-P., Pan Y.-L., Holler S., Chang R.K. Enhanced-backward directed multi-photon-excited fluorescence from dielectric microcavities // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85, N 1. Ð. 54–57. 3. Pan Y.-L., Hill S.C., Wolf J.-P., Holler S., Chang R.K., Bottiger J.R. Backward enhanced fluorescence from clusters of microspheres and particles of tryptophan // Appl. Opt. 2002. V. 41, N 15. P. 2994–2999. 4. Huang H.C., Pan Y.-L., Hill S.C., Pinnick R.G., Chang R.K. Real-time measurement of dual-wavelength laser-induced fluorescence spectra of individual aerosol particles // Opt. Express. 2008. V. 16, N 21. P. 16523–16528. 5. Kasparian J., Krämer B., Leisner T., Rairoux P., Boutou V., Vezin B., Wolf J.-P. Size dependence of nonlinear Mie scattering in microdroplets illuminated by ultrashort pulses // J. Opt. Soc. Amer. 1998. V. 15, N 7. P. 1918–1922. 6. Flettner A., Pfeifer T., Walter D., Winterfeldt C., Spielmann C., Gerber G. High-harmonics generation and plasma radiation from water microdroplets // Appl. Phys. B. 2003. V. 77, N 8. P. 747–751. 7. Favre C., Boutou V., Hill S.C., Zimmer W., Krenz M., Lambrecht H., Yu J., Chang R.K., Woeste L., Wolf J.-P. White-light nanosource with directional emission // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89, N 3. 035002-1–035002-4. 8. Lindinger A., Hagen J., Socaciu L.D., Bernhardt T.M., Wöste L., Duft D., Leisner T. Time-resolved explosion dynamics of H2O droplets induced by femtosecond laser pulses // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 27. P. 5263–5269. 9. Àïåêñèìîâ Ä.Â., Áóêèí Î.À., Áûêîâà Å.Å., Ãåéíö Þ.Ý., Ãîëèê Ñ.Ñ., Çåìëÿíîâ À.À., Çåìëÿíîâ Àë.À., Èëüèí À.À., Êàáàíîâ À.Ì., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Îøëàêîâ Â.Ê., Ñîêîëîâà Å.Á. Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ æèäêèìè ñðåäàìè. ×àñòü 1. Âçðûâíîå âñêèïàíèå êðóïíûõ èçîëèðîâàííûõ âîäíûõ êàïåëü // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà. 2010. Ò. 23, ¹ 7. Ñ. 536–542. 10. Geints Y.E., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Zemlyanov A.A., Golik S.S., Bukin O.A. Broadband emission spectrum dynamics of large water droplets exposed to intense ultrashort laser radiation // Opt. Lett. 2010. V. 35, N 16. P. 2717–2719. 11. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spectrum_of_ halophosphate_type_fluorescent_bulb_(f30t12_ww_rs).png 12. Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À., Ïàíèíà Å.Ê. Ìîäåëèðîâàíèå ìíîãîôîòîííî âîçáóæäåííîé ôëóîðåñöåíöèè ñôåðè÷åñêîé êàïëè, îáëó÷åííîé óëüòðàêîðîòêèì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, ñ ïîìîùüþ ìåòîäà âû÷èñëèòåëüíîé ýëåêòðîäèíàìèêè // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà. 2010. Ò. 23, ¹ 12. Ñ. 1120–1126. 13. Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À. Ôèëàìåíòàöèÿ ìîùíîãî óëüòðàêîðîòêîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â âîçäóõå è â âîäå. Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç // Êâàíò. ýëåêòðîí. 2010. Ò. 40, ¹ 2. Ñ. 121–126. 14. Àõìàíîâ Ñ.À., Âûñëîóõ Â.À., ×èðêèí À.Ñ. Îïòèêà ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ. Ì.: Íàóêà, 1988. 312 ñ. 15. Áàãàåâ Ñ.Í., Ãåéíö Þ.Ý., Çåìëÿíîâ À.À., Êàáàíîâ À.Ì., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Ïåñòðÿêîâ Å.Â., Ñòåïàíîâ À.Í., Òðóíîâ Â.È. Ëàáîðàòîðíûå è ÷èñëåííûå ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîõîæäåíèþ ìîùíîãî ëàçåðíîãî ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ ÷åðåç âîçäóøíóþ è êàïåëüíóþ ñðåäû // Îïòèêà àòìîñô. è îêåàíà. 2007. Ò. 20, ¹ 5. Ñ. 413–418. Î.À. Bukin, Å.Å. Bykova, Yu.E. Geints, S.S. Golik, À.À. Zemlyanov, À.À. Il’in, À.Ì. Kabanov, G.G. Matvienko, V.K. Oshlakov, Å.B. Sokolova, R.R. Khabibullin. Interaction of GW laser pulses with liquid media. Part 2. Spectral and angular characteristics of scattering on millimeter-size water droplets. The results of experiments on femtosecond GW laser pulse interaction with isolated millimeter sizes water droplets are presented. The temporal and spatial dynamics of optical breakdown in the volume of a liquid particle is investigated. Angular distribution of spectral characteristics of a water droplet emission is investigated. Âçàèìîäåéñòâèå ãèãàâàòòíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ… ×àñòü 2. Ñïåêòðàëüíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè… 653
