НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ФИЗИКЕ
Нынешним летом в Институте оптики атмосферы СО РАН (г.Томск)
прошел XII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана.
Физика атмосферы», в котором приняли участие специалисты из
пятнадцати стран. В рамках симпозиума работали четыре
конференции: «Молекулярная спектроскопия и атмосферные
радиационные процессы», «Распространение излучения в атмосфере и
океане», «Исследование атмосферы и океана оптическими методами»,
«Физика атмосферы» и научный семинар для молодых ученых.
Татьяна Гавриловская,
г. Томск
 |
|
— Это ежегодное научное мероприятие традиционно для института и
входит в календарь международного общества оптических
инженеров(SPIE). С 2001-го симпозиум проводится совместно с
Институтом солнечно-земной физики СО РАН, г.Иркутск, — рассказывает
директор ИОА, доктор физико-математических наук
Геннадий Матвиенко. — Новизну в проблематику прошедшей
конференции внесли дискуссии по новым направлениям исследований.
Одно из них — оптика фемтосекундных лазерных импульсов в
атмосфере. Уникальные свойства фемтосекундного лазерного
излучения обеспечили создание новых научных направлений в физике:
спектроскопию сверхбыстрых процессов, оптику сверхсильных полей,
релаксационных механизмов взаимодействия импульсов со средой.
Высокая временная стабильность импульсов фемтосекундных лазеров
привела к созданию стандартов частоты. Лазеры этого типа находят
широкое применение в химии, биологии, медицине и технике. Ряд
важных проблем по мониторингу и изучению свойств окружающей среды
может быть успешно решен с применением новейших лазерных
фемтосекундных технологий. К таким проблемам в первую очередь
следует отнести исследования газовых и аэрозольных составляющих
атмосферы, значительно влияющих на региональный климат и
состояние воздушного бассейна.
Детально о новом для России научном направлении «Оптика
фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере» рассказал один из
его разработчиков, заведующий лабораторией нелинейно-оптических
взаимодействий ИОА д.ф.-м.н. Александр Землянов:
— В России данные исследования начались в 2000-м году в рамках
программ Российской академии наук и Президиума СО РАН. Институт
оптики атмосферы СО РАН совместно с Институтом лазерной физики
СО РАН и Институтом прикладной физики РАН за короткий срок получили
важные результаты по указанной проблеме. Сократился разрыв между
западными и российскими исследованиями и появилась возможность
создания направления по применению мощных фемтосекундных лазерных
систем в комплексах, работающих в атмосфере.
Использование мощных ультракоротких лазерных импульсов
перспективно в решении задач транспортировки электромагнитной
энергии через атмосферу. Преодолеваются традиционные для
атмосферного распространения ограничения, накладываемые на
параметры лазерного излучения оптической нелинейностью, связанной
с нагревом среды и оптическим пробоем воздуха.
Уникальные свойства мощных фемтосекундных лазеров обеспечивают
реализацию нового класса явлений в окружающей среде, которые
могут быть эффективно применены для ее диагностики. Например, в
воздухе при использовании фемтосекундных импульсов возникает
филаментация лазерного пучка. На протяжении сотни и более метров
большая часть энергии излучения остается локализованной в узкой
приосевой части. Явление филаментации сопровождается генерацией
свечения белого света — суперконтинуума. Свечение
распространяется вперед в узком конусе, охватывающем филамент.
На основе таких источников возможен принципиально новый подход к
лазерному зондированию атмосферы и других объектов окружающей
среды. Принимаемый сигнал рассеяния при этом несет громадный
объем информации, недостижимый в многочастотных лидарах с
перестраиваемой частотой зондирования.
В нашей лаборатории разработаны новые теории взаимодействия
мощных фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолями:
нестационарная теория упругого и неупругого рассеяния на
сферических частицах; теория флуоресценции органических молекул
из капель при однофотонном и многофотонном поглощении; теория
оптического пробоя и разрушения аэрозольных частиц под действием
фемтосекундных импульсов. Эти теории позволили интерпретировать
результаты как западных, так и первых российских экспериментов,
проведенных ИОА СО РАН и Институтом прикладной физики РАН, по
прохождению тераваттных фемтосекундных лазерных импульсов в
модельной атмосфере. Особенность данных экспериментов — применение
для контроля процессов акустических датчиков,
позволяющих существенно дополнить оптические измерения.
Экспериментальные и теоретические исследования выявили широкий
спектр использования мощных фемтосекундных лазеров в атмосфере.
Например, для диагностики опасных органических веществ, в
аэрозольной форме выброшенных в атмосферу. Подобные составляющие
атмосферы невозможно эффективно диагностировать другими методами.
Фемтосекундные лазеры эффективны в создании систем
противомолниевой защиты особо важных объектов — аэродромов,
линий электропередач, хранилищ нефти, топлива.
Большой вклад в проделанную работу внесли мои ученики — сотрудники
лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий ИОА:
к.ф.-м.н. Андрей Кабанов и Николай Бочкарев и д.ф.-м.н. Юрий
Гейнц.
Александром Земляновым и его коллегами были сделаны важные выводы
о том, что мощное фемтосекундное лазерное излучение проходит
через атмосферный аэрозоль в линейном режиме, то есть потери за
счет нелинейно-оптических эффектов практически не сказываются на
интегральном коэффициенте передачи энергии. Этот результат был
отмечен в отчете СО РАН за 2004 г. как важнейшее направление
фундаментальных исследований в области физико-технических наук.
Немаловажным результатом можно назвать и вывод о том, что
аэрозоль не изменяет структуру фемтосекундных лазерных пучков в
воздушной среде.
Данные эксперименты, а также результаты выполненных теоретических
исследований позволили разработать эффективный метод расчета
энергетических параметров фемтосекундных лазерных пучков в
атмосфере на различных по протяженности трассах.
стр. 4
| 
