Кратко — почему и как ограничивает:
1) Причина (нелинейная оптика, Kerr‑эффект):
- При больших интенсивностях показатель преломления воздуха становится зависимым от интенсивности:
$n=n_0+n_{2}I$,
где $n_2$ — нелинейный коэффициент (Kerr), $I$ — локальная интенсивность. Для положительного $n_2$ центр пучка (бóльшая $I$) получает больший $n$ и действует как линза, фокусируя пучок.
2) Условие самофокусировки — критическая мощность:
- Для гауссова пучка возникает самофокусировка, если мощность превышает критическую:
$P_{\mathrm{cr}}\approx 0.148\frac{{\lambda }^2}{n_0{n}_2}$.
В атмосфере при длинах волны порядка $\lambda \sim 0.8\mu \mathrm{m}$ это даёт порядка $P_{\mathrm{cr}}\sim 5\text{–}10\mathrm{GW}$ (порядковые значения).
3) Плазма и стабилизация (филаментация):
- При дальнейшем росте интенсивности начинается многоквантовая и туннельная ионизация воздуха, образуется плазма. Плазма даёт отрицательную поправку к $n$ (дефокусировка), что вместе с Kerr‑фокусировкой может приводить к динамическому балансу и образованию «филаментов».
- В филаменте интенсивность «зажата» (clamped) на уровне порядка $I_{\mathrm{clamp}}\sim 10^{13}\text{–}10^{14}W/c{\mathrm{m}}^2$, дальнейшее увеличение входной мощности ведёт к образованию дополнительных филаментов, но не к произвольному возрастанию локальной интенсивности.
4) Как это ограничивает передачу энергии:
- Разбиение пучка (филирование) уменьшает энергию, доставляемую в одну точку: энергия распределяется по множеству филаментов.
- Плазма рассеивает и поглощает энергию, создаёт оптические потери и ударный/тепловой эффект.
- Нелинейная фаза ($B$-интеграл) и самофокусировка искажают волновой фронт и спектр (самофазовая модуляция), что ухудшает фокусируемость и приводят к потере когерентной передачи:
$B=\frac{2\pi }{\lambda }\int n_{2}I(z)dz$ — большие $B$ (порядок единиц радиан и выше) неприемлемы.
- В результате ограничивается максимальная пик‑мощность, которую можно передать по атмосфере на заданную точку; дальность и точность фокусировки падают.
5) Частые числа и последствия:
- Критическая мощность в воздухе: $P_{\mathrm{cr}}\sim 5\text{–}10\mathrm{GW}$ (видимо для видимого/ближнего ИК).
- Интенсивность филамента: $I_{\mathrm{clamp}}\sim 10^{13}\text{–}10^{14}W/c{\mathrm{m}}^2$.
- Для длин линейки энергий выше критической получают множественные филаменты и существенные потери/искажения.
6) Коротко о смягчении:
- Увеличение диаметра пучка (снижение пиковой интенсивности), растягивание/утоньшение импульса (chirp), синхронизация нескольких лучей, адаптивная оптика, передача через волноводы/воздух с пониженной плотностью — всё это может отчасти уменьшить нежелательные нелинейные эффекты.
Вывод: при мощных лазерах в воздухе Kerr‑самофокусировка и последующая ионизация приводят к филаментации, плазменной дефокусировке и потерям, что ограничивает передачу энергии по оптическому каналу и максимальную достигаемую пик‑интенсивность на цели.