Filamentation with nonlinear Bessel vortices

Abstract

We present a new type of ring-shaped filaments featured by stationary nonlinear high-order Bessel solutions to the laser beam propagation equation. Two different regimes are identified by direct numerical simulations of the nonlinear propagation of axicon focused Gaussian beams carrying helicity in a Kerr medium with multiphoton absorption: the stable nonlinear propagation regime corresponds to a slow beam reshaping into one of the stationary nonlinear high-order Bessel solutions, called nonlinear Bessel vortices. The region of existence of nonlinear Bessel vortices is found semi-analytically. The influence of the Kerr nonlinearity and nonlinear losses on the beam shape is presented. Direct numerical simulations highlight the role of attractors played by nonlinear Bessel vortices in the stable propagation regime. Large input powers or small cone angles lead to the unstable propagation regime where nonlinear Bessel vortices break up into an helical multiple filament pattern or a more irregular structure. Nonlinear Bessel vortices are shown to be sufficiently intense to generate a ring-shaped filamentary ionized channel in the medium which is foreseen as opening the way to novel applications in laser material processing of transparent dielectrics.

On the dynamics of Airy beams in nonlinear media with nonlinear losses

“…Though we have restricted the expressions and examples to media with self-focusing Kerr nonlinearity, similar description is expected to hold for other dispersive nonlinearities, or with the inclusion of ionization and plasma effects, as is also the case with Bessel beams [27].…”

Light trajectory in Bessel–Gauss vortex beams

“…1(a) and 2. The nondiffracting property has been further employed in many applications, such as nonlinear filamentation control [10][11][12][13][14][15], laser machining [16][17][18], and particle trapping and guiding [19].…”

Dinámica no lineal de haces ópticos de Airy y de Bessel en medios Kerr con absorción no lineal

“…También, si la absorción da lugar a la ionización del medio, el plasma generado afecta a la propagación. Los trabajos recientes muestran que en la filamentación con haces de Airy o de Bessel son la difracción, la no linealidad Kerr y la absorción multifotón las que determinan sustancialmente la propagación, pudiéndose suponer una forma invariable del pulso, siempre que las distancias de propagación sean más cortas que la longitud de dispersión debido a la dispersión cromática Jukna et al 2014) 1 .…”

“…En esta tesis y en nuestro artículo (Porras y Ruiz-Jiménez 2014) se demuestra que este fenómeno ocurre también con BB de orden superior o con vórtice y el estado estacionario no lineal final es un NBB con la misma carga topológica y mismoángulo cónico que el BB lineal introducido. Curiosamente, el artículo fue publicado en octubre de 2014, mismo mes en que aparecía otro artículo que también describía estos haces, (Jukna et al 2014), lo que muestra la actualidad de estas investigaciones. Como veremos, nosotros logramos además identificar cuál es el régimen de propagación alcanzado en la dinámica y el haz atractor que la rige.…”

“…En la mayoría de los experimentos de filamentación con BBs (Polesana et al 2007;Polesana et al 2008;Couairon et al 2013;Jukna et al 2014;Xie et al 2015) y en los estudios numéricos relacionados (Roskey et al 2007), la radiación que sale del generador del haz, habitualmente un axicón, entra en el medio no lineal antes de la formación del BB, en un estado con un bajo y esparcido nivel de intensidad, de modo que el BB no está todavía formado, y dado que la propagación será no lineal, no se formará nunca. Con un axicón, por ejemplo, el medio se sitúa en contacto conél, o simplemente llena el espacio que lo circunda, como en los experimentos de filamentación con gases.…”