Теоретический анализ влияния чирпированных импульсов на формирование плазмы в струе воды
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2026-17-1-26-33
Аннотация
В работе представлен теоретический анализ влияния линейного чирпа лазерного импульса на плотность плазмы в струе воды в рамках двухэтапной модели. На первом этапе решается система уравнений для плотности носителей и плотности тока в одной пространственной точке при воздействии чирпированного супергaуссовского импульса. При фиксированной спектральной ширине и нормировке по интенсивности выделяется чисто вклад чирпа в формирование плазмы, при котором относительная плотность плазмы превышает единицу и демонстрирует устойчивое преимущество отрицательного чирпа по сравнению с положительным. На втором этапе моделируется распространение оптического поля в воде методом углового спектра с применением той же системы уравнений во всём пространстве. Учет нормальной дисперсии приводит к изменению наблюдаемой тенденции: плотность плазмы, обусловленная исключительно чирпом, уменьшается с ростом величины чирпа, при этом отрицательный чирп демонстрирует больше значения, чем положительный. Наиболее сильное уменьшение вклада наблюдается для длинных нечерпированных импульсов (например, 80 фс), что связано с дисперсионным временным расплыванием и пространственно-временной рассинхронизацией поля. Полученные результаты позволяют отделить эффект влияния спектральной фазы от спектральной ширины и интенсивности, формируют проверяемые предсказания для водяных струй и создают основу для будущих экспериментальных исследований и самосогласованных моделей распространения.
Об авторах
Ш. Хилал
Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Россия
Россия
А. О. Исмагилов
Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Россия
Россия
А. Н. Цыпкин
Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Россия
Россия
М. В. Мельник
Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Россия
Россия
Список литературы
1. Horikoshi S., Serpone N. In-liquid plasma: a novel tool in the fabrication of nanomaterials and in the treatment of wastewaters. RSC Adv., 2017, 7(75), P. 47196–47218.
2. Patel J. A Commentary on the Plasma-Liquid Interactions. Russian Journal of Physical Chemistry B., 2024, 18(5), P. 1301–8.
3. Mariotti D., Patel J., ˇSvrˇcek V., Maguire P. Plasma-liquid interactions at atmospheric pressure for nanomaterials synthesis and surface engineering. Plasma Processes and Polymers., 2012, 9(11–12), P. 1074–85.
4. Nie L., Yang Y., Duan J., Sun F., Lu X., He G. Effect of tissue thickness and liquid composition on the penetration of long-lifetime reactive oxygen and nitrogen species (RONS) generated by a plasma jet. J. Phys. D: Appl. Phys., 2018, 51(34), P. 345204.
5. Khlyustova A., Labay C., Machala Z., Ginebra M.P., Canal C. Important parameters in plasma jets for the production of RONS in liquids for plasma medicine: A brief review. Front. Chem. Sci. Eng., 2019, 13(2), P. 238–252.
6. Chauvin J., Jud´ee F., Yousfi M., Vicendo P., Merbahi N. Analysis of reactive oxygen and nitrogen species generated in three liquid media by low temperature helium plasma jet. Sci. Rep., 2017, 7(1), P. 4562.
7. Skiba M., Khrokalo L., Linyuchev A., Vorobyova V. State of the art on plasma-liquid route synthesis monometallic Au, bimetallic Au/Ag core–shell and alloy nanoparticles: Toxicological, analytical, antimicrobial activity for environmental control. J. Mol. Struct., 2024, 1318, P. 139293.
8. Shah K., Patel J., Kumar S., Pandey R., Maity G., Dubey S. Perspectives on sustainable and efficient routes of nanoparticle synthesis: an exhaustive review on conventional and microplasma-assisted techniques. Nanoscale, 2024, 16(44), P. 20374–20404.
9. Khodadadi A.A., Mortazavi Y. and Vesali-Naseh M. Fast and clean dielectric barrier discharge plasma functionalization of carbon nanotubes decorated by electrodeposited nickel oxide: Application to glucose biosensors. Scientia Iranica, 2019, 26(6), P. 3896–3904.
10. Cvelbar U., Santhosh N.M. (Invited) Plasma-Assisted Synthesis of Advanced Carbon Nanostructures for Batteries and Supercapacitors. ECS Meet. Abstr., 2022, MA2022-01(7), P. 621.
11. Novotn´y K., Krempl I., Afonin I., Prokeˇs L., Vaˇnhara P., Havel J. Laser-induced plasma spectroscopy in pulsed laser ablation synthesis of nanoparticles in liquid. Talanta, 2025, 290, P. 127767.
12. Burakov V.S., Butsen A.V., Tarasenko N.V. Laser-induced plasmas in liquids for nanoparticle synthesis. J. Appl. Spectrosc., 2010, 77(3), P. 386– 393.
13. Ponomareva E.A., Ismagilov A.O., Putilin S.E., Tsypkin A.N., Kozlov S.A., Zhang X.-C. Varying pre-plasma properties to boost terahertz wave generation in liquids. Commun. Phys., 2021, 4(1), P. 4.
14. Hilal S., Ismagilov A., Tsypkin A., Melnik M. Insights from Keldysh theory to plasma electron density in liquid water under excitation wavelength scaling. J. Sci. Tech. Inf. Technol. Mech. Opt., 2024, 155(3), P. 399.
15. Hilal S., Melnik M., Ismagilov A., Tsypkin A., Kozlov S. Determination of plasma properties in liquid jets through time-resolved experiments on third harmonic reflection dynamics. Opt. Lett., 2024, 49(11), P. 2990–2993.
16. Ponomareva E., Ismagilov A., Putilin S., Tcypkin A. N. Plasma reflectivity behavior under strong subpicosecond excitation of liquids. APL Photonics, 2021, 6(12), P. 126101.
17. Miliˇan C., Jarnac A., Brelet Y., Jukna V., Houard A., Mysyrowicz A., et al. Effect of input pulse chirp on nonlinear energy deposition and plasma excitation in water. JOSA B, 2014, 31(11), P. 2829–2837.
18. Ghaforyan H., Sadighi-Bonabi R. and Irani E. The effect of chirped intense femtosecond laser pulses on the Argon cluster. Advances in High Energy Physics, 2016, 2016(1), P. 2609160.
19. Grigoriadis A., Andrianaki G., Tazes I., Dimitriou V., Tatarakis M., Benis E.P. and Papadogiannis N.A. Efficient plasma electron accelerator driven by linearly chirped multi-10-TW laser pulses. Scientific Reports, 2023, 13(1), P. 2918.
20. Stumpf S.A., Korolev A.A., Kozlov S.A. Few-cycle strong light field dynamics in dielectric media. Proceedings of SPIE, 2007, 6614, P. 59–70.
21. Ponomareva E.A., Ismagilov A.O., Putilin S.E., Tsypkin A.N., Kozlov S.A., Zhang X.-C. Varying pre-plasma properties to boost terahertz wave generation in liquids. Commun. Phys., 2021, 4(1), P. 4.
22. Stumpf S., Ponomareva E., Tcypkin A., Putilin S., Korolev A., Kozlov S. Temporal field and frequency spectrum of intense femtosecond radiation dynamics in the process of plasma formation in a dielectric medium. Laser Phys., 2019, 29(12), P. 124014.
23. Ponomareva E.A., Tcypkin A.N., Putilin S.E., Stumpf S., Korolev A.A., Kozlov S.A. Double-pump technique – one step closer towards efficient liquid-based THz sources. Opt. Express, 2019, 27(22), P. 32855–32862.
24. Noack J., Vogel A. Laser-induced plasma formation in water at nanosecond to femtosecond time scales: calculation of thresholds, absorption coefficients, and energy density. IEEE J. Quantum Electron., 1999, 35(8), P. 1156–1167.
25. Kennedy P.K., Boppart S.A., Hammer D.X., Rockwell B.A., Noojin G.D., Roach W.P. First-order model for computation of laser-induced breakdown thresholds in condensed media. Proceedings of SPIE 2391, 1995, P. 48–59.
26. Rethfeld B. Free-electron generation in laser-irradiated dielectrics. Phys. Rev. B, 2006, 73(3), P. 035101.
27. Fallah R., Khorashadizadeh S. M. Influence of Gaussian, Super-Gaussian, and Cosine-Gaussian Pulse Properties on the Electron Acceleration in a Homogeneous Plasma. IEEE Trans. Plasma Sci., 2018, 46(6), P. 2085–2090.
28. Gong J., Liu B., Kim Y. L., Liu Y., Li X., Backman V. Optimal spectral reshaping for resolution improvement in optical coherence tomography. Opt. Express, 2006, 14(13), P. 5909–5915.
29. Liu J., Brio M., Zeng Y., Zakharian A. R., Hoyer W., Koch S. W., et al. Generalization of the FDTD algorithm for simulations of hydrodynamic nonlinear Drude model. J. Comput. Phys., 2010, 229(17), P. 5921–5932.
30. Laures P. Geometrical Approach to Gaussian Beam Propagation. Appl. Opt., 1967, 6(4), P. 747–755.
31. Couairon A., Mysyrowicz A. Femtosecond filamentation in transparent media. Phys. Rep., 2007, 441(2), P. 47–189.
32. Lahiri S., Bhore T., Das K., Agarwal A. Nonlinear magnetoresistivity in two-dimensional systems induced by Berry curvature. Phys. Rev. B, 2022, 105(4), P. 045421.
33. Stumpf S., Ponomareva E., Tcypkin A., Putilin S., Korolev A., Kozlov S. Temporal field and frequency spectrum of intense femtosecond radiation dynamics in the process of plasma formation in a dielectric medium. Laser Phys., 2019, 29(12), P. 124014.
34. Stumpf S.A., Korolev A.A., Kozlov S.A. Few-cycle strong light field dynamics in dielectric media. Laser Optics 2006: Superintense Light Fields and Ultrafast Processes. SPIE, 2007, P. 59–70.
35. Chen S., Cong X., Chen J., Zang H., Li H., Xu H. Sensing Trace-Level Metal Elements in Water Using Chirped Femtosecond Laser Pulses in the Filamentation Regime. Sensors, 2022, 22(22), P. 8775.
36. Coello Y., Xu B., Miller T.L., Lozovoy V.V., Dantus M. Group-velocity dispersion measurements of water, seawater, and ocular components using multiphoton intrapulse interference phase scan. Appl. Opt., 2007, 46(35), P. 8394–8401.
37. Weiner A.M. Ultrafast optical pulse shaping: A tutorial review. Opt. Commun., 2011, 284(15), P. 3669–3692.
38. Akturk S., Gu X., Bowlan P., Trebino R. Spatio-temporal couplings in ultrashort laser pulses. J. Opt., 2010, 12(9), P. 093001.
Рецензия
Для цитирования:
Хилал Ш., Исмагилов А.О., Цыпкин А.Н., Мельник М.В. Теоретический анализ влияния чирпированных импульсов на формирование плазмы в струе воды. Наносистемы: физика, химия, математика. 2026;17(1):26-33. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2026-17-1-26-33
For citation:
Hilal Sh., Ismagilov A.O., Tcypkin A.N., Melnik M.V. Theoretical analysis of chirped pulse effects on plasma formation in water liquid jet. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2026;17(1):26-33. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2026-17-1-26-33
Просмотров:
291
JATS XML
Послать статью по эл. почте 