| Аннотация |
Важнейшей составляющей современной атмосферной оптики является проблема получения новых знаний о трансформациях характеристик световых полей в атмосфере, формирующихся от лазерных источников, излучение которых обладает уникальными свойствами (мощные фемтосекундные лазерные импульсы, лазерные сингулярные пучки, структурированное лазерное излучение). Актуальность проблемы состоит в том, что существует потребность в теоретическом и экспериментальном обосновании применения новейших лазерных атмосферных технологий для решения перспективных задач.
В настоящее время в мире активно ведутся исследования по распространению тераваттных и мультитерваттных лазерных импульсов ультракороткой длительности в атмосфере в режиме множественной филаментации. За рубежом эта проблема стала интенсивно развиваться с конца 90х годов прошлого столетия. Данное направление остается чрезвычайно актуальным и в современный момент времени. Достаточно отметить работу французско-канадской группы (Magali Durand et al., JOSA, 2013), где с помощью тераваттной лазерной системы была продемонстрирована возможность генерировать длинные плазменные каналы до дистанции в 1 км. В указанной работе использовался лазерный источник с энергией до 200 мДж, длительностью импульса от 40 фс до 15 пс с центральной длиной волны 805 нм.
В России первые эксперименты по филаментации в воздухе проведены в 2004 г. Институтом оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) и Институтом прикладной физики РАН (ИПФ РАН) на материальной базе ИПФ РАН. В последующие годы ИОА СО РАН самостоятельно и в кооперации с ИФ РАН, ИАПУ ДВО РАН, ИЛФ СО РАН, ФИАН выполнены циклы исследований по обсуждаемой проблеме. Это позволило выйти российским работам на мировой уровень.
За рубежом созданы мощные лазерные источники, работающие в среднем ИК диапазоне волн: длина волны 3900 нм (A.V. Mitrofanov et al., Sci. Rep., 2013), а также на длине волны 10600 нм (S.Ya. Tochitsky et al., Opt. Express, 2012). С применением указанных лазерных систем в атмосфере связываются большие перспективы в создании длинных плазменных каналов и генерации широкополосного излучения в атмосфере. Последнее представляет большой интерес для задач лазерного зондирования опасных газовых примесей в атмосфере, спектры поглощения которых находятся в средней ИК области.
За рубежом и в России в настоящее время ведутся работы по разработке высокопроизводительных сетей беспроводной оптической связи, а также комплексов лазерного энергообеспечения удаленных объектов, созданных на базе дирижабельных платформ либо беспилотных летательных аппаратов. В связи с этим необходимо разрабатывать новые технологии, обеспечивающие повышение эффективности работы оптических систем, как например, формирование лазерных пучков, устойчивых к атмосферным искажениям, в том числе вихревых лазерных пучков, объединение оптических и компьютерных способов улучшения качества изображений в системах наблюдения и другие.
В настоящее время существуют методы управления пространственным распределением интенсивности излучения, орбитальным угловым моментом, пространственной когерентностью, пространственным распределением поляризации и направленностью излучения лазерного пучка в отдельности, однако отсутствует возможность управления ими всеми одновременно без внесения конструктивных изменений в лазерную систему. Несмотря на очевидную востребованность подобных источников излучения в задачах лазерной обработки материалов, оптической связи, лазерной микроскопии высокого разрешения, манипуляции и ускорении частиц и других приложениях проблема их разработки до сих пор не решена.
В последние десятилетия в мире активно развивается научное направление, связанное с созданием и управлением оптическими нанополями, формирующимися вблизи или на поверхности оптически прозрачных материальных сред при освещении их электромагнитным излучением в видимом и терагерцовом диапазонах. Одним из ярких эффектов ближнепольной оптики являются так называемые «фотонные наноструи» (ФНС) (Z. Chen et al., Opt. Express, 2004). ФНС являются зонами локальных фокусировок оптической волны в пространственных масштабах порядка длины волны излучения при рассеянии на микрообъектах различных пространственных форм. В последние годы исследования в этом направлении расширяются, поскольку, с одной стороны, микрочастицы являются распространенными объектами в природе и технике, а с другой стороны, были экспериментально продемонстрированы возможности микрочастиц по обеспечению функционирования различных устройств формирования и преобразования оптического излучения (V.M. Menon et al., Nat. Photonics, 2010).
Цель научного исследования экспериментальные и теоретические исследования когерентных и нелинейных эффектов в оптических средах для задач атмосферной оптики и фотоники.
Будет изучен новый класс нелинейно-оптических эффектов, связанных с формированием протяженных световых структур в атмосфере с высокой пространственной локализацией энергии. Планируются эксперименты на протяженных трассах с использованием элементов адаптивной оптики совместно с численными расчетами и теоретическими разработками.
Будет сформулирована оценка применимости в лидарном зондировании и в решении обратных задач фемтосекундной атмосферной оптики методов управления пространственно-временными характеристиками фемтосекундных импульсов, управления положением зоны филаментации и её протяжённостью, генерации эмиссионных спектров из зоны филаментации, генерации режима сверхизлучения, фемтосекундной лазерно-индуцированной флуоресценции, фемтосекундной спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя; определение характеристик принципиально новых технических устройств для дистанционного зондирования атмосферы мощными фемтосекундными импульсами.
Будут разработаны новые способы моделирования формирования изображений в турбулентной аэрозольной среде, а также исследованы возможности улучшения качества изображений атмосферных объектов при совместном использовании адаптивной оптики и методов численной обработки изображений.
Будут разработаны методы дистанционного измерения параметров атмосферы на основе анализа (обработки) искаженных изображений удаленных объектов.
Будет разработана новая физически обоснованная концепция управления пространственной структурой синтезированных лазерных пучков, включая управление пространственным распределением интенсивности излучения, орбитальным угловым моментом, пространственной когерентностью, пространственным распределением поляризации и направленностью излучения.
Будут разработаны теоретические концепции и созданы модели новых устройств нанооптики на основе мезаволновых композитных (металл-диэлектрик) микрочастиц, обеспечивающих субдифракционную ближнепольную локализацию падающего излучения.
|
