Численное моделирование распространения импульсов в режиме комбинационного рассеяния в атмосферных газах

Современные методы лазерного зондирования позволяют получить профили и поля различных параметров атмосферы (облачность, аэрозоль, газовые составляющие, температура, влажность, турбулентность, скорость ветра) с довольно высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувствительностями химического состава.
Довольно большое внимание уделяется исследованию и практическому использованию таких явлений, как спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние, а также флуоресценции при распространении ультракоротких импульсов оптического излучения высокой мощности, что позволяет увеличить их информативность по отношению к параметрам газовой атмосферы. Однако, для определения более точных параметров при получении оптимального импульса, необходимого для проведения исследования, нужно понимать, как меняется импульс по мере его распространения.
В работе представлены результаты численного моделирования распространения высокоинтенсивных ультракоротких импульсов достаточно распространенного в системах лазерного зондирования атмосферы титан-сапфирового лазера. Использовалось выражение импульса с гауссовой огибающей с положительным и отрицательным чирпом в атмосфере в режиме вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденного комбинационного саморассеяния (ВКС) на основных компонентах воздуха – кислорода (21%) и азота (78%), а также их смеси. Расчёт проводился для λ =400, 800, нм, длительность импульса 1-25 фс. Моделирование распространения волны проводилось как с волновым уравнением второго порядка, так и с редуцированной его версией. Для получения временной локализации спектральных компонент изменений, использовались различные типы непрерывного вейвлет-преобразования.
В результате, была выявлена структура изменений спектра импульса со временем и показано, что при распространении такого импульса происходит переход фотонов из начала импульса в его конец практически без изменения энергии.