УДК: 537.87 535.8

Нелинейные уравнения Максвелла и Шрёдингера для описания объемного взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с прозрачными твердыми диэлектриками. Влияние граничных условий

Жуков В.П., Булгакова Н.М., Федорук М.П.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Жуков В.П., Булгакова Н.М., Федорук М.П. Нелинейные уравнения Максвелла и Шрёдингера для описания объемного взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с прозрачными твердыми диэлектриками. Влияние граничных условий // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 7. С. 13–21.

Zhukov V.P., Bulgakova N.M., Fedoruk M.P. Nonlinear Maxwell’s and Schrödinger equations for describing the volumetric interaction of femtosecond laser pulses with transparent solid dielectrics: effect of the boundary conditions [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 7. P. 13–21.

Ссылка на англоязычную версию:

V. P. Zhukov, N. M. Bulgakova, and M. P. Fedoruk, "Nonlinear Maxwell’s and Schrödinger equations for describing the volumetric interaction of femtosecond laser pulses with transparent solid dielectrics: effect of the boundary conditions," Journal of Optical Technology. 84(7), 439-446 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000439

Аннотация:

Проведено сопоставление моделей, основанных на нелинейных уравнениях Максвелла и Шрёдингера, разработанных для моделирования типичных экспериментов по объемной модификации стекол (на примере плавленого кварца) под действием фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что результаты, полученные при использовании уравнений Максвелла и Шрёдингера, могут заметно отличаться. При этом существенную роль играют не только сами уравнения, но и вид граничного условия, посредством которого в расчетах описывается сфокусированный лазерный импульс на входе в область расчета.

Ключевые слова:

фемтосекундный лазерный импульс, объемная модификация, нелинейные уравнения Максвелла, плавленый кварц, нелинейное уравнение Шрёдингера, граничные условия

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы № I.33П фундаментальных исследований Президиума РАН по стратегическим направлениям развития науки.

Коды OCIS: 140.3390, 140.3440, 320.7110, 320.7130

Список источников:

1. Gattass R.R., Mazur E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials // Nat. Photon. 2008. V. 2. P. 219–225.
2. Taylor R., Hnatovsky C., Simova E. Applications of femtosecond laser induced planar nanocracks inside fused silica glass // Laser Photon. Rev. 2008. V. 2. P. 26–46.
3. Vogel A., Venugopalan V. Mechanisms of pulsed laser ablation of biological tissues // Chem. Rev. 2003. V. 103. P. 577–644.
4. Sugioka K., Hanada Y., Midorikawa K. Three-dimensional femtosecond laser micromachining of photosensitive glass for biomicrochips // Laser Photon. Rev. 2010. V. 4. P. 386–400.
5. Richter S., Heinrich M., Döring S., Tünnermann A., Nolte S. Formation of femtosecond laser-induced nanogratings at high repetition rates // Appl. Phys. A. 2011. V. 104. P. 503–507.
6. Bulgakova N.M., Zhukov V.P., Sonina S.V., Meshcheryakov Yu.P. Modification of transparent materials with ultrashort laser pulses: What is energetically and mechanically meaningful? // Appl. Phys. 2015. V. 118. № 23. Paper 233108 (17 p.).
7. Bulgakova N.M., Zhukov V.P., Mirza I., Meshcheryakov Yu.P., Tomáštík J., Michálek V., Haderka O., Fekete L., Rubenchik A.M., Fedoruk M.P., Mocek T. Ultrashort-pulse laser processing of transparent materials: Insight from numerical and semi-analytical models // Proc. SPIE. 2016. V. 9735. Paper 97350N (16 p.).
8. Bulgakova N.M., Zhukov V.P., Meshcheryakov Yu.P., Gemini L., Brajer J., Rostohar D., Mocek T. Pulsed laser modification of transparent dielectrics: What can be foreseen and predicted in numerical experiments? // JOSA. B. 2014. V. 31. № 11. P. C8–C14.

9. Bulgakova N.M., Zhukov V.P., Meshcheryakov Yu.P. Theoretical treatments of ultrashort pulse laser processing of transparent materials: Towards understanding the volume nanograting formation and “quill” writing effect // Appl. Phys. B. 2013. V. 113. № 3. P. 437–449.
10. Couairon A., Sudrie L., Franco M., Prade B., Mysurowicz A. Filamintation and damage in fused silica induced by tightly focused femtosecond laser pulses // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. Paper 125435 (11 p.).
11. Burakov I.M., Bulgakova N.M., Stoian R., Mermillod-Blondin A., Audouard E . Spatial distribution of refractive index variations induced in bulk fused silica by single ultrashort and short laser pulses // Appl. Phys. 2007. V. 101. Paper 043506 (7 p.).
12. Mermillod-Blondin A., Burakov I.M., Meshcheryakov Y.P., Bulgakova N.M., Audouard E., Rosenfeld A., Husakou A., Hertel I.V., Stoian R. Flipping the sign of refractive index changes in ultrafast and temporally shaped laser-irradiated borosilicate crown optical glass at high repetition rates // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. Paper 104205 (8 p.).
13. Popov K.I., McElcheran C., Briggs K., Mack S., Ramunno L. Morphology of femtosecond laser modification of bulk dielectrics// Opt. Exp. 2010. V. 19. P. 271–282.
14. Schmitz H., Mezentsev, V. Full-vectorial modeling of femtosecond pulses for laser inscription of photonic structures // JOSA. B. 2012. V. 29. P. 1208–1217.
15. Arnold C.L., Heisterman A., Ertmer W., Lubatschowski H. Computational model for nonlinear plasma formation in high NA micromachining of transparent materials and biological cells // Opt. Exp. 2007. V. 15. № 16. P. 10303–10317.
16. Жуков В.П., Булгакова Н.М., Федорук М.П. Численное моделирование распространения фемтосекундного лазерного импульса в нелинейных средах // Выч. технологии. 2012. Т. 17. № 4. С. 14–28.
17. Bulgakova N.M., Zhukov V.P. Continuum models of ultrashort laser — matter interaction in application to wide-bandgap dielectrics // Laser in Materials Science / Ed. by Castillejo M., Ossi P.M., Zhigilei L. Springer Series in Materials Science 191, Springer International publishing Switzerland, 2014. P. 101–124.
18. Petropoulos P.G. Reflectionless sponge layers for the numerical solution of Maxwell’s equations in cylindrical and spherical coordinates // Appl. Numerical Mathematics. 2000. V. 33. P. 517–524.
19. Popov K.I., Bychenkov V.Y., Rozmus W., Sydora D., Bulanov S.S. Vacuum electron acceleration by tightly focused laser pulses with nanoscale targets // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. Paper 053106 (9 p.).
20. Efimenko E.S., Kim A.V., Quiroga-Teixeiro M. Ionization-induced dynamics of laser-matter interaction in a focused laser pulse: A comparative analysis // Phys. Plasmas. 2011. V. 18. Paper 032107 (11 p.).