Физики из Германии исследовали распространение мощного лазерного излучения через воду и обнаружили, что начиная с некоторого порога по мощности, сильное тепловое линзирование происходит быстрее, чем конвекционные потоки воды успевают его разрушить. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
При прохождении лазерного луча даже через прозрачную среду часть его энергии поглощается веществом. Если мощность лазера достаточно большая, локальное изменение температуры начинает сказываться на показателе преломления среды. Поскольку интенсивность луча обычно симметрично спадает от центра к краям, это приводит к образованию тепловой линзы, собирающей либо рассеивающей в зависимости от того, как ведет себя показатель преломления с ростом температуры.
Вместе с тем потоки, которые могут возникать в жидких или газообразных средах за счет нагрева, нарушают цилиндрическую симметрию и приводят к сложной форме распространения света. Этот эффект, называемых блюмингом, хорошо изучен при прохождении интенсивного лазерного излучения в воздухе, поскольку он ограничивает передачу энергии на расстояние с помощью лазера. Для воды же таких исследований очень мало. Так как вода лучше поглощает оптическое излучение, чем воздух, ожидается, что блюминг в ней будет наступать раньше и будет более ярко выраженным, однако точных данных об этом до недавнего времени не было.
Группа физиков из Института динамики быстропротекающих процессов общества Фраунгофера (Института Эрнста Маха) под руководством Штефана Райха (Stefan Reich) провела серию экспериментов по исследованию прохождения мощных лазерных пучков через водяную толщу. Они выяснили, что для достаточно интенсивного света тепловое линзирование и блюминг происходят по иному, не наблюдавшемуся ранее сценарию, в отличие от случаев слабой интенсивности или случаев воздуха.
Экспериментальная установка, использованная в работе, состояла из непрерывного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1070 нанометров и перестраиваемой мощностью до 10 киловатт. Физики коллимировали излучение внутрь ПММА-камеры длиной 10,1 сантиметров, наполненной водопроводной водой, через входное кварцевое окно. На противоположной стороне было еще одно окно для вывода излучения и измерения его выходной мощности. Для измерения искажений волнового фронта авторы облучали воду с помощью протяженной лампы через диафрагму (маску) Гартмана, содержащую двумерный массив отверстий с периодом два миллиметра и диаметром полмиллиметра. Диафрагма разбивает световой поток на отдельные зондирующие лучи, которые позволяют добыть информацию о поглощении, рассеянии и фазовом сдвиге, вызванном изменением показателя преломления.
Исследователи меняли мощность лазера и следили за изменением профиля его интенсивности. Для входной мощности, равной 0,7 киловатт (эта мощность меньше, чем мощность лазера из-за потери энергии на оптических элементах и входном окне) динамика прохождения была похожа на таковую в воздухе: линзирование с последующим блюмингом, превращающим на вторую секунду гауссов профиль в U-подобный — с той лишь разницей, что в воздухе этот процесс происходит на масштабе нескольких километров.
Для мощности же, равной 7,5 киловатт, ситуация резко изменилась. Очень быстрый нагрев привел к моментальному формированию тепловой линзы с большой оптической силой, которая практически полностью вытеснила излучение из первоначального региона. При этом тепловые потоки еще не успели сформироваться, поэтому во всем процессе профиль пучка имел кольцеобразную форму, которая стала превращаться в полумесяц через полсекунды после начала. Результаты были дополнены измерениями фазы, а также симуляциями, выполненными в пакете COMSOL с соответствующими модулями.
Измеренное и промоделированное распределение интенсивности в пучке от времени для входной мощности, равной 0,7 (сверху) и 7,5 (снизу) киловатт. Диаметр пучка – 17,8 миллиметров.
Физики сопоставили картину, полученную в опытах по измерению профиля интенсивности, с фотометрическими экспериментами. Последние проводились в двух режимах: импульсном (пять импульсов длительностью 0,1 секунд и таким же интервалом) и непрерывном (5 секунд). В первом случае они выяснили, что размер пятна существенно сказывается на форме детектируемых импульсов, снижая интегральную выходную мощность. Более того, выяснилось, что, начиная с некоторой входной мощности выходная мощность выходит на плато из-за потерь на линзирование и блюминг. Во втором случае авторы увидели сильно нелинейное поведение выходной мощности, которое хорошо согласовывалось с первой серией экспериментов. После двух секунд непрерывного облучения потоковая картина в воде переходит в устойчивое состояние, что выражается в стабилизации выходной мощности.
Ученые подчеркивают, что проведенное ими исследование подтверждает достоверность соответствующих моделей в режиме больших интенсивностей света. Вместе с тем их работа будет полезна для приложений, где требуется передача большого количества световой энергии под водой. В качестве примера авторы приводят подводное обезвреживание или дефрагмацию взрывчатых веществ.
