Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением

• Автор: Хоменко, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор основных работ по исследованию отклика сплошной и структурно-неоднородной твердотельной среды при взаимодействии с фемтосекундным лазерным излучением
§1.1 Лазерно-индуцированная плазма под действием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения и процесс абляции в твердотельных
мишенях
§ 1.2 Невозмущающие методы диагностики сплошной и структурнонеоднородной твердотельной среды
Глава 2. Двухволновой гомодинный рефлектометр на базе хром-форстеритового лазера для изучения параметров сильно рассеивающих
структурно-неоднородных и лазерно-модифицированных сред
§2.1 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных и лазерно-модифицированных сред гомодинным рефлектометром, использующим основное излучение фемтосекундного хром-форстеритового лазера
2.1.1 Экспериментальная схема и обработка результатов эксперимента
2.1.2 Влияние концентрации рассеивателей на сигнал обратного рассеяния
2.1.3 Исследование процесса движения границы раздела фаз в структурно-неоднородной среде
2.1.4 Распространение фемтосекундных лазерных импульсов в структурнонеоднородных средах
§2.2 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных сред гомодинным рефлектометром, использующим вторую гармонику основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера
2.2.1 Теоретическая оценка эффективности преобразования основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера во вторую гармонику
2.2.2 Экспериментальное измерение мощности второй гармоники и оценка эффективности преобразования основного излучения во вторую гармонику фемтосекундного хром-форстеритового лазера
2.2.3 Динамика распространения УК-лазерных импульсов в сильно-рассеивающей среде на длине волны второй гармоники основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера (0.625 мкм)
§2.3 Увеличение отношения сигнал/шум в схеме фемтосекундного рефлектометра при применении в его схеме нелинейного поглотителя на базе одностенных углеродных нанотрубок
2.3.1 Исследование оптических свойств нелинейного поглотителя на основе одностенных УНТ
2.3.2 Деградация нелинейного поглотителя под действием фемтосекундных лазерных импульсов
2.3.3 Увеличение отношения сигнал/шум в фемтосекундном рефлектометре с помощью нелинейного поглотителя на базе одностенных УНТ
2.3.4 Оптический профилометр на основе фемтосекундного рефлектометра
Выводы

Глава 3. Исследование оптического отклика и микромодификаций твердотельных сред при воздействии на них интенсивного фемтосекундного ИК-лазерного излучения (1~10и-И.015 Вт/см2)
§3.1 Экспериментальная схема
§3.2 Оптический отклик структурно-неоднородной твердотельной среды (дентина) при воздействии на неё фемтосекундным лазерным излучением с
интенсивностью 1~10П-Ч013 Вт/см2
§3.3 Оптический спектр свечения плазмы, создаваемой в микроканале в структурно-неоднородной среде (дентин) фемтосекундным лазерным
излучением с интенсивностью I— 1015 Вт/см2
Выводы
Глава 4. Генерация и диагностика параметров жёсткого рентгеновского
излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы
§4.1 Методика генерации и регистрации жёсткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы с помощью рентгеновского спектрометра
4.1.1 Особенности генерации жёсткого К характеристического рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы
4.1.2 Принципиальная схема рентгеновского спектрометра на базе пропорционального блока детектирования и многоканального процессора
§4.2 Генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы в микроканале, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением
4.2.1 Создание микроканала в оптически прозрачных средах и генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканале фемтосекундньм лазерным излучением
4.2.2 Визуализация поверхностных и внутриобъёмных микромодификаций в кристалле 1лР с помощью оптического возбуждения наведённых центров окраски
4.2.3 Г енерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканале структурно-неоднородной среды фемтосекундным лазерным излучением
§4.3 Г енерация характеристического излучения из плазмы в микроканале твердотельной мишени, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением
4.3.1 Генерация характеристического излучения из плазмы в микроканале твердотельных мишеней различного элементного состава, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением
4.3.2 Исследование зависимости выхода характеристического излучения из плазмы, индуцированной в микроканале твердотельной мишени фемтосекундным лазерным излучением, от глубины создаваемого микроканала
4.3.3 Исследование источника характеристического излучения, возникающего при создании микроканала
Выводы
Благодарности
Заключение
Литература

Введение
Актуальность темы
Создание и развитие фемтосекундных лазерных систем обеспечило возможность решения широкого класса задач по взаимодействию лазерного излучения сверхкороткой длительности с веществом [1-5]. Эффективность нелинейных взаимодействий и самовоздействий лазерного излучения зависит от напряженности светового поля и ограничивается интенсивностью, при которой развивается процесс ионизации среды. Для фемтосекундных лазерных импульсов эта величина не превышает 100 ТВт/см2 [1]. При больших значениях интенсивностей (1>1 ПВт/см2) происходит быстрая ионизация атомов, и электроны с высоким темпом набирают энергию, которая может существенно превышать уровень в 1 кэВ. В итоге возникает так называемая фемтосекундная лазерная плазма (ФЛП), являющаяся новым уникальным физическим объектом. Она обладает концентрацией электронов, превышающей твердотельную плотность [1, 2], и отличается высоким градиентом плотности, при этом в поглощении и отражении лазерного излучения доминируют нелинейные механизмы. Плотная фемтосекундная лазерная плазма является источником сверхкоротких рентгеновских импульсов [2, 3, 6, 7]. Некогерентное
рентгеновское излучение, основу которого составляет тормозное и характеристическое излучение лазерной плазмы, может быть использовано как для диагностики параметров самой ФЛП, так и для таких задач как возбуждение низколежащих ядерных уровней [8], изучение химических процессов на сверхкоротких временах [9], микроскопия и неразрушающий контроль биологических объектов [10] и др.
В качестве мишеней для генерации ФЛП могут выступать объекты различной природы: вещество в конденсированном состоянии [2, 3] и кластеры [11], представляющие семейство наноматериалов. В последние годы всё больший интерес начинают привлекать структурнонеоднородные среды, проявляющие, с одной стороны, эффективные нелинейно-оптические свойства [12], а с другой стороны, позволяющие управлять параметрами ФЛП, существенно повышая энергию горячих электронов и выход рентгеновского излучения [13]. Под структурно-неоднородными средами в данной работе понимаются такие среды, компоненты которых различаются друг от друга по ряду физических параметров (коэффициенты рассеяния и поглощения, преломления, нелинейностям второго и третьего порядка и др.) на микро- и субмикронных масштабах. К множеству структурно-неоднородных сред можно отнести: фотонные кристаллы, сильно рассеивающие пористые объекты (пористые
полупроводники и металлы и т.д.), объекты с волокнистой структурой (коллаген, дентин и т.д.) и др.

Результаты, полученные с помощью фемтосекундного рефлектометра, оказались сходными с теми, что были получены ранее [93]. Па Рис. 2.9 видно быстрое возрастание интенсивности от фотонов, отражённых от передней границы бумаги, и длинный “хвост” многократно рассеянных в среде фотонов.
Если пористую среду заполнить жидкостью, то можно заметить изменение наклона спада интенсивности, что связано с изменением среднего временем жизни фотонов в среде из-за уменьшения разницы показателей преломления насыщающей жидкости и пористой среды.

г-«*.

о» а
о_й о«®о 0о

I I 1 I | I П I I И I I | I I I I I II I I | I I I II I II I | I I I I I I П I | Т П I П ТП р-ГТТТ ГГП~[ гттп
0 1 2 3
X, ПС
Рис. 2.9. Зависимость мощности многократно рассеянного излучения от времени задержки фотонов в сухой (о) и смоченной этанолом () бумаге.
Зависимость для мощности многократно рассеянного излучения можно грубо аппроксимировать диффузионным приближением. Эта зависимость имеет следующий вид [93]:
Н‘)~ К (0 ~ ехр
Г , N2

(2.5)

£) = с/(3и /4) - коэффициент диффузии фотонов, пр

- коэффициент

преломления бумаги (пр= 1.2). т0 - среднее время жизни фотонов в среде, Ь - толщина слоя