Динамика взаимодействия ван-дер-ваальсовых атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов

• Автор: Гец, Артем Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Содержание
Введение
Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна работы
Научная значимость и практическая ценность
Положения, выносимые на защиту
Апробация работы
Публикации
Личный вклад автора
Структура и объем диссертации
Краткое содержание диссертации
Глава 1. Кластерные пучки как мишень для интенсивных лазерных импульсов. Краткий обзор
1.1 Введение
1.2 Образование кластерных пучков
1.2 Ионизация кластеров
1.3 Нагрев кластерной плазмы
1.4 Механизмы расширения кластеров
1.5 Динамика кластеров в рамках гидродинамической модели
1.6 Учет экспериментальных особенностей при теоретическом описании взаимодействия кластеров с лазерным излучением
Глава 2. Вакуумный нагрев больших атомарных кластеров полем фемтосекундного лазерного импульса
2.1 Введение
2.2 Вакуумный нагрев
2.3 Расширение кластера
2.5 Выводы
Глава 3. Ионизация в кластерных средах при воздействии сверхсильного лазерного излучения и ее влияние на электронную и ионную динамику
3.1 Введение
3.2 Потенциалы ионизации атомарных ионов в кластерах Ат, Кг и Хе при воздействии лазерного излучения
Влияние экранирования на потенциалы ионизации многозарядных ионов в кластерах Аг, Кг и Хе
Поле Хольцмарка
3.3 Рассеяние электронов на кластерах
3.4 Анизотропный разлет ионного остова кластера
3.5 Выводы
Глава 4. Внутренняя и внешняя ионизация атомарных кластеров сильным аттосекундным импульсом
4.1 Введение
4.2 Взаимодействие аттосекундных импульсов с атомарными кластерами
4.3 Расчет угловых распределений фотоэлектронов
Волновые функции
Дифференциальное сечение
Полное сечение фотоионизации
4.4 Атомный гигантский резонанс в ксеноне
4.5 Резонансное рассеяние рентгеновского излучения
4.6 Выводы
Основные результаты и выводы диссертации
Литература

Введение
Актуальность темы
Атомарный кластер представляет собой группу атомов, удерживаемых вместе силами межатомного взаимодействия. В настоящей работе рассматриваются большие кластеры, формирующиеся под действием ван-дер-ваальсовых сил и содержащие от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомов. Размер таких кластеров составляет до нескольких десятков нанометров.
Взаимодействие пучков атомарных кластеров с интенсивными (1015-102° Вт/см2) короткими (< 1 не) лазерными импульсами с середины 90-х годов прошлого века стало одним из направлений активных исследований в физике взаимодействия излучения с веществом. Интерес к атомарным кластерам в качестве мишени для лазерных импульсов обусловлен промежуточным состоянием, которым обладает структура кластеров по сравнению с газообразными и твердотельными мишенями. С одной стороны, высокая, сравнимая с твердотельной концентрация атомов в кластере позволяет достичь при лазерном облучении больших удельных плотностей энергии в веществе. С другой, кластеры содержат сравнительно малое количество материи и изолированы в пространстве. Поэтому механизмы быстрой передачи энергии отсутствуют, и нагрев происходит в небольшом объеме, приводя к появлению горячих электронов в образующейся плазме. Эти факторы в совокупности с ультракороткой длительностью применяемых лазерных' импульсов позволяют обеспечить в экспериментах очень высокую эффективность возбуждения вещества прежде, чем огромная плотность поглощенной кластером энергии приводит к его разлету.
Практическая ценность исследования взаимодействия интенсивных ультракоротких импульсов изучения с атомарными кластерами заключается в возможности получения фотонов и частиц с энергиями, значительно превышающими энергию фотонов падающего импульса. В частности, кулоновский взрыв внешних слоев кластера, происходящий вслед за вылетом из кластера существенной части электронов под действием лазерного импульса, приводит к генерации быстрых многозарядиых ионов.
Кластерная плазма при определенных условиях может являться эффективным и компактным источником рентгеновского излучения. Поглощение лазерного излучения кластером приводит к образованию неоднородной горячей плазмы, состоящей из многозарядных ионов и захваченных ими электронов. Дальнейшая динамика кластерной плазмы после окончания лазерного импульса создает возбужденные многозарядные ионы и другие возбуждения в плазме, ведущие в последующем к испусканию коротковолновых

фотонов. При этом обеспечивается достаточно высокая энергетическая эффективность преобразования лазерного импульса в рентгеновское излучение, составляющая более 1%.
Как показали эксперименты и теоретические расчеты, кластерные пучки могут быть также эффективной средой для генерации высших гармоник лазерного излучения, лежащих в интервале от ультрафиолета до мягкого рентгеновского диапазона. Интенсивность гармоник оказывается пропорциональна третьей степени концентрации атомов в кластере, в отличие от второй степени для газов.
Пучок дейтериевых кластеров при возбуждении ультракоротким лазерным импульсом может использоваться в качестве компактного источника быстрых нейтронов. При этом сначала происходит полная ионизация дейтериевых кластеров с потерей всех электронов, и дейтериевые ионы разлетаются под действием положительного нескомпенсированного заряда кластера. Ионы с поверхности кластера приобретают наиболее высокую энергию и способны вступить в термоядерную реакцию, ведущую к образованию нейтронов, после разлета плазмы.
Несмотря на существенное количество экспериментальных и теоретических работ по рассматриваемой тематике, динамика взаимодействия атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов не является до конца изученной физической проблемой. Это объясняется большим разнообразием процессов, которые могут протекать в кластерах под действием лазерного излучения. Помимо этого постоянное совершенствование лазерной техники, и в частности, методов генерации интенсивных сверхкоротких импульсов позволяет исследовать их взаимодействие с кластерными пучками в новых диапазонах значений параметров эксперимента.
Нагрев свободных электронов, образующихся в ван-дер-ваальсовом кластере при ионизации атомов, за счет поглощения квантов лазерного изучения оказывает определяющее влияние на динамику системы. Помимо таких механизмов нагрева электронной подсистемы, как электрон-ионные столкновения (обратный тормозной эффект) и резонансное поглощение, также играет роль поглощение энергии лазерного импульса электронами на границе кластера и вакуума, описание которого само по себе актуальной задачей взаимодействия лазерных импульсов с атомарными кластерами.
Скорость процессов полевой и ударной ионизации в ионизованных кластерах, представляющих собой плотную плазму, заметно меняется по сравнению со случаем изолированных атомов и ионов. Является важным оценка и учет этого эффекта при рассмотрении эволюции кластеров, облучаемых лазерными импульсами.
В последние годы применение лазеров на свободных электронах позволило распространить исследования взаимодействия кластерных пучков с излучением в область

С другой стороны, частота столкновений уменьшается при увеличении радиуса кластера R.
Обратное вынужденное тормозное излучение и вакуумный нагрев - это существенно отличающиеся по своим свойствам механизмы нагрева. Нагрев электронов вследствие обратного тормозного эффекта пропорционален длительности лазерного импульса. Электрон в среднем приобретает удвоенную попдеромоторную энергию при каждом столкновении с атомарным ионом. Однако внутри кластера электрическое поле лазерного импульса значительно меньше внешнего поля, т.к. концентрация электронов в кластере превышает критическую плотность. Вследствие этого приобретаемая при каждом столкновении порция энергии невелика, а существенное поглощение лазерной энергии достигается из-за большого числа столкновений за время действия лазерного импульса. На заднем фронте импульса кластерная плазма становится докритической, и лазерное поле проникает внутрь кластера. Удвоенная колебательная энергия становится большой, но это происходит на фоне быстрого расширения кластера, поэтому частота электрон-ионных столкновений значительно уменьшается. По этой причине нагрев электронов на заднем фронте импульса не происходит. Кроме того, если рассматривать достаточно короткие лазерные импульсы длительностью менее 50 фс, то за время импульса успевает произойти небольшое число электрон-ионпых столкновений.
В противоположность сказанному выше, в механизме вакуумного нагрева фигурирует только внешнее лазерное поле, поскольку электроны вырываются из кластера лазерным полем, ускоряются им, а затем снова попадают в кластер, где внутренне лазерное поле пренебрежимо мало. Следовательно, даже небольшое количество таких циклов испускания электронов на переднем фронте фемтосекундного лазерного импульса приводит к значительному нагреву электронов.
Как следует из [25], для кластеров радиусом более 10 нм только малая доля электронов покидает кластер. Т.е. механизм кулоновского взрыва не реализуется, и гидродинамическое давление свободных электронов внутри кластера является доминирующим механизмом расширения кластера. Второе требование для осуществления гидродинамического приближения заключается в том, чтобы длительность лазерного импульса была велика по сравнению со временем между последовательными электрон - электронными столкновениями. В обратном случае лучше подходит описание системы методом “частиц в ячейках” (particle-in-cell simulations)