Laser Filamentation: Mathematical Methods and Models

این کتاب بر روی مسائل غیرخطی نظری و ریاضی مرتبط با انتشار پالس لیزر شدید فوق سریع در گازها و به ویژه در هوا متمرکز شده است. با هدف درک فیزیک رشته‌بندی در گازها، جامدات، جو و حتی بافت‌های بیولوژیکی، متخصصان اپتیک غیرخطی و رشته‌بندی از هر دو فیزیک و ریاضی تلاش می‌کنند تا مدل‌های غیرآشفتگی مربوطه را به‌دقت استخراج و تحلیل کنند. فناوری لیزر مدرن امکان تولید پالس‌های لیزری فوق‌سریع (چند سیکلی) با شدت‌های بیشتر از میدان الکتریکی داخلی در اتم‌ها و مولکول‌ها را می‌دهد (E=5x109 V/cm یا شدت I = 3.5 x 1016 Watts/cm2). برهمکنش چنین پالس‌هایی با اتم‌ها و مولکول‌ها منجر به رژیم‌های غیرخطی جدید و بسیار غیرخطی می‌شود، جایی که پدیده‌های فیزیکی جدید، مانند تولید با هارمونیک بالا (HHG)، رخ می‌دهند و از آن کوتاه‌ترین (اتو ثانیه - مقیاس زمانی طبیعی الکترون) است. پالس ایجاد شده است. یکی از اکتشافات تجربی بزرگ در این رژیم غیرخطی غیرخطی، رشته پالس لیزری، توسط مورو و براون در سال 1995 مشاهده شد، به عنوان انتشار پالس ها در فواصل بزرگ با مخروط های باریک و شدید. این مشاهدات منجر به تحقیقات فشرده در فیزیک و ریاضیات کاربردی در مورد اثرات جدید مانند تبدیل خود این پالس ها به نور سفید، بستن شدت و رشته های متعدد و همچنین کاربردهای بالقوه برای نوشتن راهنمای موج، سنجش از دور جو، رعد و برق شده است. هدایت و تسلیحات دوربرد نظامی.

افزایش قدرت رایانه‌های با کارایی بالا و مدل‌سازی ریاضی و شبیه‌سازی سیستم‌های فوتونیک زمینه‌های جدید تحقیقاتی بسیاری را فراهم کرده است. رشته سازی لیزری با کمک نظریه پردازان و ریاضیدانان، تکمیل شده توسط تجربی گرایان فعال که متخصص در زمینه برهمکنش و انتشار مولکول های لیزر غیرخطی هستند، نور جدیدی بر کاربردهای علمی و صنعتی لیزرهای مدرن می افکند.

This book is focused on the nonlinear theoretical and mathematical problems associated with ultrafast intense laser pulse propagation in gases and in particular, in air. With the aim of understanding the physics of filamentation in gases, solids, the atmosphere, and even biological tissue, specialists in nonlinear optics and filamentation from both physics and mathematics attempt to rigorously derive and analyze relevant non-perturbative models. Modern laser technology allows the generation of ultrafast (few cycle) laser pulses, with intensities exceeding the internal electric field in atoms and molecules (E=5x109 V/cm or intensity I = 3.5 x 1016 Watts/cm2 ). The interaction of such pulses with atoms and molecules leads to new, highly nonlinear nonperturbative regimes, where new physical phenomena, such as High Harmonic Generation (HHG), occur, and from which the shortest (attosecond - the natural time scale of the electron) pulses have been created. One of the major experimental discoveries in this nonlinear nonperturbative regime, Laser Pulse Filamentation, was observed by Mourou and Braun in 1995, as the propagation of pulses over large distances with narrow and intense cones. This observation has led to intensive investigation in physics and applied mathematics of new effects such as self-transformation of these pulses into white light, intensity clamping, and multiple filamentation, as well as to potential applications to wave guide writing, atmospheric remote sensing, lightning guiding, and military long-range weapons.

The increasing power of high performance computers and the mathematical modelling and simulation of photonic systems has enabled many new areas of research. With contributions by theorists and mathematicians, supplemented by active experimentalists who are experts in the field of nonlinear laser molecule interaction and propagation, Laser Filamentation sheds new light on scientific and industrial applications of modern lasers.