Fuerzas de radiación no lineales y confinamiento de partículas neutras en la envolvente de momento
Un estudio preliminar de Óptico explica las fórmulas analíticas para las fuerzas de radiación no lineales y las densidades potenciales resultantes de un pulso láser que viaja a través de un medio dieléctrico. La fuerza longitudinal media efectiva real del pulso láser se puede determinar mediante estas expresiones analíticas.
Estudiar: Fuerzas de radiación y confinamiento de partículas neutras en la envoltura de impulsos. Nuevo régimen de ionización por colisión. Haber de imagen: Micha Weber/Shutterstock.com
La fuerza de radiación no lineal es inversamente proporcional a la duración del pulso y proporcional a la energía del pulso inicial. La intensidad de las fuerzas aumenta en el rango de femtosegundos, lo que permite que las partículas neutras queden contenidas dentro de la envolvente de momento y se traduzcan con la velocidad del grupo en gases.
Las fuerzas ópticas transversales con rayos láser de onda continua manipulan objetos a microescala sin contacto. Muchos efectos físicos inesperados relacionados con la influencia del vector de Poynting en la parte longitudinal de la fuerza óptica se pueden detectar utilizando láseres de modo de pulso en lugar de láseres de onda continua.
Significado de la polarización no lineal
Los pulsos de láser que operan en el régimen de onda continua (CW) pueden capturar partículas. La ecuación analítica para la fuerza de radiación no lineal que actúa sobre una sola partícula es proporcional al gradiente transversal del cuadrado del campo eléctrico y se determina utilizando la aproximación dipolar.
Se necesitan términos adicionales relacionados con el vector de Poynting y el flujo de energía cuando el régimen CW se reemplaza por la propagación de pulsos ópticos. Las fuerzas influyen en la polarización de átomos y moléculas, y la polarización no lineal juega un papel vital en la determinación de estas fuerzas.
Estudio de ecuaciones analíticas de fuerza de radiación no lineal
Un pulso láser en un medio dieléctrico continuo aplica fuerzas de radiación imprecisas a partículas neutras polarizadas lineal y no linealmente. Kovachov et al. obtuvo y analizó las ecuaciones analíticas de la densidad de fuerza de radiación no lineal longitudinal.
Los pulsos ópticos de femtosegundos que se propagan en el régimen libre de difracción con valores de potencia inferiores al régimen de guía de ondas no lineal se pueden utilizar para confinar átomos o moléculas neutras en el aire. Estos regímenes tienen energías de pulso iniciales que van desde 10 nJ a 1-2 mJ, con duraciones de pulso de alrededor de 100 fs y anchos de 1 a 10 mm. Las energías de impacto oscilan entre 12 y 24 GeV y son suficientemente superiores a la energía necesaria para ionizar átomos neutros.
Los investigadores demostraron los efectos de la polarización no lineal en la intensidad de la radiación. La fuerza real en el ancho del pulso es inversamente proporcional a la duración del pulso y la densidad de fuerza resultante es directamente proporcional a la primera derivada de la envolvente de tiempo del pulso. Esto explica por qué la fuerza de desaparición en el régimen CW atrapa partículas en la envolvente del pulso en la región de femtosegundos. La alta densidad de partículas atrapadas en la envoltura de impulso aumenta las posibilidades de colisión con moléculas y átomos de aire libre.
Estudios experimentales y teóricos fundamentales de las fuerzas de radiación no lineales
Los estudios experimentales y teóricos fundamentales de las fuerzas de radiación no lineal se centran en el estudio de las fuerzas de radiación producidas por interacciones individuales de partículas dieléctricas de Rayleigh con haces de láser y pulsos.
Esta investigación estudia los efectos de la fuerza de radiación sobre un conjunto de partículas neutras y un medio continuo (aire). El método convierte la fuerza individual aplicada a un átomo en una fuerza por volumen llamada fuerza de densidad.
La naturaleza no estacionaria y no lineal de la respuesta óptica del medio dieléctrico de los pulsos láser proporciona una expresión analítica para la fuerza de densidad longitudinal y el potencial de densidad de un pulso láser gaussiano que viaja a través de un medio gaseoso. Los estudios teóricos y experimentales para el régimen libre de difracción y la propagación no lineal guiada por ondas de pulsos láser de femtosegundos ultracortos ayudan en la integración de estas densidades utilizando la aproximación de dispersión de primer orden en óptica. Como resultado, se obtiene un potencial longitudinal útil y una fuerza que actúa en el ancho del pulso en el medio.
Resultados de la búsqueda
La longitud del pulso láser afecta la fuerza de la radiación longitudinal. La intensidad de la fuerza aumenta a medida que disminuye la duración del pulso láser. Un mJ de energía de un pulso láser gaussiano tiene un potencial longitudinal en el aire doce órdenes de magnitud mayor que la energía de Boltzmann de las partículas libres. Las condiciones reguladas probadas bajo las cuales las partículas neutras pueden estar contenidas dentro de la envolvente de impulso y fluir a la misma velocidad que la velocidad del grupo son hallazgos importantes de esta investigación.
El riesgo de colisión con moléculas y átomos de aire libre aumenta cuando las partículas atrapadas en el impulso tienen una alta densidad. Las colisiones pueden ionizar átomos neutros a energías entre 12 y 24 GeV. Como resultado, bajo una fuerte propagación de pulsos de femtosegundos en el aire, se puede observar un nuevo tipo de ionización por colisión.
Este nuevo tipo de ionización por colisión difiere de la ionización multifotónica y de túnel. En la ionización por colisión, todos los procesos se tienen en cuenta al determinar el ancho del pulso. Debido a las colisiones entre las partículas atrapadas y las partículas libres, el nuevo régimen de ionización produce una única emisión cónica de partículas cargadas.
Referencias
Kovachov, LM (2022). Fuerzas de radiación y confinamiento de partículas neutras en la envoltura de impulsos. Nuevo régimen de ionización por colisión. Óptico169943.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030402622012013
