Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας λέιζερ με τη ύλη με έμφαση στην εξέταση φυσικών μηχανισμών που συμβαίνουν κατά την διάδοση χρονικά βραχέων παλμών λέιζερ υψηλής έντασης σε αέρια και στερεά

Abstract

Στην συγκεκριμένη διατριβή, μελετήθηκε η διάδοση βραχύχρονων (femtosecond)παλμών υψηλής έντασης (>1012 W/cm2) λέιζερ με μήκος κύματος στο υπεριώδες(248 nm) σε αέρια μέσα (στον ατμοσφαιρικό αέρα και στο Αργό) σε διαφορετικέςπιέσεις(50-1000 mbar) καθώς και σε στερεά (διοξείδιο του πυριτίου, SiO2) Η επιλογήτου ατμοσφαιρικού αέρα, έγινε με βασικό κριτήριο την εφαρμογή της συγκεκριμένηςμελέτης στην ατμοσφαιρική φυσική (ανίχνευση ρύπων στην ατμόσφαιρα), η επιλογή τουΑργού έγινε με γνώμονα την υψηλή απόδοσή του (ενέργεια) σε σχέση με άλλα αέριαστην παραγωγή αρμονικών στο υπεριώδες, καθώς μέρος της μελέτης αποτελεί ηεξέταση της παραγωγής αρμονικών κατά την μη γραμμική διάδοση βραχύχρονωνπαλμών υψηλής έντασης, ενώ τέλος η επιλογή του διοξείδιου του πυριτίου από ταστερεά έγινε λόγω της ευρείας εφαρμογής του στην οπτική και την μικροηλεκτρονική.Τα πειραματικά αποτελέσματα της μελέτης διάδοσης στον ατμοσφαιρικό αέρα και στοΑργό έδειξαν ότι κάτω από καθορισμένες συνθήκες έντασης δέσμης λέιζερ(Ι>1012 W/cm2) και πίεσης (P>200 mbar) έχουμε τον σχηματισμό αυτο-οδηγούμενωνπαλμών (self-guided pulses) λόγω «νηματοποίησης» της δέσμης (filamentation). Κάτωαπό αυτές τις συνθήκες, η δέσμη εμφανίζει το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό να παραμένειεστιασμένη σε πολύ υψηλή ένταση και να διαδίδεται κατά αυτόν τον τρόπο σε σχετικάμεγάλες αποστάσεις (αρκετά μέτρα). Θεωρητικά, το φαινόμενο περιγράφεται από μια2ης τάξης μη γραμμική μερική διαφορική εξίσωση, την μη γραμμική εξίσωση τουSchrödinger (Non-Linear Schrödinger Equation, NLSE), όπου η μη γραμμικότητασχετίζεται με την μη γραμμική πόλωση του μέσου από το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο τουλέιζερ (φαινόμενο Kerr). Η συγκεκριμένη εξίσωση, λόγω της πολυπλοκότητας τωνφαινομένων που υπεισέρχονται, δεν επιδέχεται αναλυτικές λύσεις, αλλά επιλύεται μόνοαριθμητικά. Για τον λόγο αυτό κατασκευάστηκε ένα υπολογιστικό μοντέλοπροσομοίωσης που περιγράφει της συνθήκες διάδοσης των συγκεκριμένων πειραμάτωντης μελέτης. Τα αποτελέσματα του μοντέλου είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τιςπειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν γεγονός που ενισχύει την παρούσα μελέτη.Στην συνέχεια μελετήθηκε πειραματικά το φαινόμενο της παραγωγής αρμονικών κατάτην μη γραμμική διάδοση της δέσμης αυτο-οδηγούμενων παλμών λέιζερ υπεριώδουςμέσα στο Αργό σε διαφορετικές πιέσεις, και ταυτόχρονα χρησιμοποιήθηκε η παραγωγήτων αρμονικών αυτών ως διαγνωστική μέθοδος για την μελέτη των ιδιοτήτων τηςXδέσμης των αυτό-οδηγούμενων παλμών κατά μήκος της διάδοσής της. Τα αποτελέσματασειράς πειραματικών μετρήσεων έδειξαν:1) Δημιουργία αρμονικών (3ης και 5ης τάξης)σε όλο το μήκος της διάδοσης λόγω των αυτό-οδηγούμενων παλμών. Οι μετρήσειςανέδειξαν φαινομένα φασματικής διαπλάτυνσης της δέσμης (spectral broadening) τόσοστην περιοχή του μήκους κύματος του λέιζερ όσο και στην περιοχή μηκών κύματος τωνπαραγόμενων αρμονικών, καθώς και μετατόπιση των μηκών κύματος προς το ιώδες(blue shift). Τόσο η φασματική διαπλάτυνση όσο και η μετατόπιση προς το ιώδες είναιφαινόμενα που σχετίζονται άμεσα με την διάδοση αυτό-οδηγούμενων παλμών, 2)Αυξημένη απόδοση της έντασης των παραγόμενων αρμονικών σε σύγκριση μεαντίστοιχες τιμές (σε πειράματα παράγωγης αρμονικών με την κλασική μέθοδο) στηνδιεθνή βιβλιογραφία κατά ένα παράγοντα τουλάχιστον της τάξης του 102. Αυτόεκτιμάται ότι οφείλεται στο ότι οι αρμονικές παράγονται σε πολλές περιοχές του χώρουκατά μήκος της διάδοσης (λόγω των αυτό-οδηγούμενων παλμών) και όχι μόνο στηνπεριοχή γεωμετρικής εστίασης, 3) Ενδείξεις ύπαρξης του φαινομένου της«ενισχυμένης» συμφωνίας φάσης (quasi-phase matching), λόγω των αυτό-οδηγούμενων παλμών. Για την συγκεκριμένη μελέτη πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις τηςέντασης των παραγόμενων αρμονικών μεταβάλλοντας την πίεση (50-500 mbar) τουαέριου μέσου (Αργό), ενώ ταυτόχρονα κατασκευάστηκε ένα αριθμητικό μοντέλοπροσομοίωσης της μεταβολής της έντασης των αρμονικών σε συνάρτηση με την πίεση,ώστε να εξεταστούν οι συνθήκες συμφωνίας φάσης (phase-matching) δηλαδή αν οιπαραγόμενες αρμονικές βρίσκονται σε φάση με την αρχική δέσμη που τις παρήγαγε, καιστην συνέχεια να υπολογιστεί το αντίστοιχο μήκος συμφωνίας (coherence length). Τοθεωρητικό μοντέλο προβλέπει την εμφάνιση «κροσσών Maker», δηλαδή την περιοδικήμεταβολή της έντασης των αρμονικών, όταν μεταβάλλεται η πίεση, αποτέλεσμα πουεπιβεβαιώθηκε και πειραματικά. Η σύγκριση του θεωρητικού μοντέλου με τιςπειραματικές μετρήσεις έδειξε ότι το μήκος συμφωνίας των παραγόμενων αρμονικώνείναι πολύ μεγαλύτερο (τουλάχιστον κατά 2 τάξεις μεγέθους) από το θεωρητικό μήκοςσυμφωνίας που υπολογίστηκε με βάση την θεωρία παραγωγής αρμονικών, ισχυρήένδειξη του φαινομένου ενισχυμένης συμφωνίας φάσης λόγω της ύπαρξης των αυτό-οδηγούμενων παλμών κατά την παραγωγή των αρμονικών. Τέλος, μελετήθηκεθεωρητικά το φαινόμενο της διάδοσης βραχύχρονων παλμών μέσα σε διοξείδιο τουπυριτίου(SiO2). Τα αποτελέσματα του μοντέλου προσομοίωσης της διάδοσης έδειξαν ότικαι στην περίπτωση των στερεών επικρατούν τα ίδια μη γραμμικά φαινόνενα πουεμφανίζονται και στην περίπτωση της διάδοσης σε αέρα σε διαφορετική κλίμακα.