Эволюция кластеров в сверхсильном лазерном поле

• Автор: Рощупкин, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 100 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Динамика кластеров, облучаемых сверхмощными фемтосекундными лазерными импульсами.

1.1. Динамическая поляризуемость металлических кластеров в модели Томаса - Ферми.

1.2. Динамика кулоновского взрыва больших ксеноновых кластеров, при воздействии на них сверхмощных ультракоротких лазерных импульсов.
1.3. Влияние поляризации на динамику кулоновского взрыва больших ксеноновых кластеров.

1.4. Динамика кулоновского взрыва больших

Н1 - кластеров, облучаемых сверхмощными, фемтосекундными лазерными импульсами.

ГЛАВА 2. Внутренняя ионизация возбужденных атомов в кластерах и генерация гармоник тонкими пленками.

2.1. Проблема Улама и ионизацияфшдбЬрговских

атомов СВЧ-полем. '

2.2. Генерация высоких гармоник тонкими металлическими пленками, под действием фемтосекундных лазерных импульсов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованной литературы Публикации автора по теме диссертации Доклады на научных конференциях

ВВЕДЕНИЕ
Можно ли получить вещество в сильно возбужденном состоянии, не прибегая к быстрому взрыву, а только лишь за счет его большой внутренней энергии? Очевидно, этого можно добиться, используя ультракороткие лазерные импульсы большой мощности. В настоящее время в различных лабораториях были разработаны лазеры, которые позволяют получить монохроматическое излучение оптического диапазона частот гигантской интенсивности (1017 - 1021Вт/см2) и с длительностью импульса 20 - 100 фс. Для сравнения, величина атомной интенсивности составляет се2 /(8лао) = 3.61 х 1016Вт/см2 (здесь с - скорость света, е- заряд электрона, а0 = Ь2 /те2 - боровский радиус, т - масса электрона), атомное время равно Тш01е1 = 0.0242 фс, период лазера
2.7 фс при длине волны 800 нм. Из сравнения атомной интенсивности с интенсивностью долазерных источников монохроматического излучения -спектральных ламп - составляющей величину порядка 1-10 Вт/см , ясно, что при взаимодействии лазерного излучения с веществом должна возникнуть качественно новая физика.
При облучении сверхмощным лазерным полем твердого тела, поглощенная энергия распределится по большому объему за время длительности импульса, за счет высокой теплопроводности полученной электронной плазмы. В случае кластера, нагревание ограничено малым объемом кластера, что приводит к большему возбуждению плазмы (большей температуре электронов). Следовательно, возбужденные кластеры при
воздействии на них сфокусированных сверхмощных, ультракоротких лазерных импульсов, являются необычайно интересными лабораторными объектами исследований. Эволюция кластера в лазерном поле изучалась как экспериментально [1], [2], так и теоретически [3], [4] посредством различных численных и аналитических методов. Ниже, будет приведен краткий обзор работ, сделанных в настоящее время, и посвященных воздействию сверхмощных ультракоротких лазерных импульсов на кластеры [5], [6], а также сформулированы основные проблемы, связанные с решением данной задачи.
Кластер в сильно возбужденном состоянии состоит из электронной
плазмы и многозарядных ионов, так что процессы поглощения связаны с
взаимодействием лазерного излучения с плазмой. Обычно в экспериментах
средняя энергия электронов достигает десятков кэВ. После того как произошел
взрыв кластера, в образующейся плазме наблюдаются также ионы с энергиями
порядка 1 МэВ. Конечно, такая плазма ничем не ограничена и расширяется в
окружающем пространстве, но время такого расширения, как правило, намного
больше (более нескольких сотен фемтосекунд) по сравнению с длительностью
лазерного импульса, поэтому эволюция кластера в таком поле чрезвычайно
интересна. Следовательно, в общем случае, мы имеем дело с неравновесной
плазмой, и ее свойства определяются процессами, которые включают в себя
поглощение и перепоглощение электромагнитной энергии, многократную
ионизацию атомов внутри кластера, вылет электронов из кластера, что
приводит к получению дополнительного заряда кластером и, как следствие, к
различным столкновительным процессам. Плазма, которая получается после

Рассмотрим типичный пример кластера, состоящего из п = 40 атомов

натрия. В данном случае, радиус Вигнера - Зейца равен гн, = 2.14 А = 4.04 а.е. и кЛ = 10.7 »1. Тогда, из (1.1.17) следует, что £2 = 0.91 сор. Таким образом, Ми
частота для металлического кластера практически равна частоте объемных плазменных колебаний сор. В нашем случае, для кластера натрия, концентрация
атомов N = 2.44 х 1022см'3, и в соответствии с уравнением (1.1.5) находим, что сор = 5.80эВ.
Можно сделать вывод, что при квантовом рассмотрении металлический кластер сильно отличается от классического маленького металлического
шарика: частота практически равна сор вместо (ор143 .
Рассмотрим теперь вынужденные дипольные колебания, обусловленные наличием внешнего электромагнитного поля с напряженностью Р со$(а> • г). В этом случае, вместо уравнения (1.1.13), решение уравнения (1.1.12) запишется в виде (см. также [69]):
а(со)
дер = F
-г + -

cose-cos (co-t). (1.1.20)
Здесь, а(а>) - динамическая поляризуемость кластера.
Решение уравнения (1.1.8) можно найти аналогично тому, как это было сделано для уравнения (1.1.11), но, конечно, с фиксированной константой А и £2 —^ со:
sinhfcr cosh&r
5ср = А

cos cos {co-t).