Особенности формирования плазмы на поверхности расплавленных металлов сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением

• Автор: Моршедиан Надер
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

1 Введение
2 Взаимодействие сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с плотными мишенями: обзор работ и постановка задачи исследований
2.1 Формирование горячих электронов при взаимодействии фемтосекундного
лазерного импульса с плотной мишенью
2.1.1 Поглощение энергии лазерного импульса и нагрев электронов
2.1.2 Формирование горячего электронного компонента при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с плотной мишенью
Резонансное поглощение
Аномальный скин- эффект
Вакуумный нагрев
Особенности генерации горячих электронов при релятивистских интенсивностях лазерного импульса
2.2 Ускорение ионов при взаимодействии фемтосекундного лазерного
импульса с плотной мишенью
2.3 Лазерно-плазменные источники рентгеновского излучения
2.3.1 Плоские твердотельные мишени
2.3.2 Мишени, использующие вещества в жидкой фазе
2.3.3 Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с жидкими микрокаплями
3 Экспериментальная установка для исследования взаимодействия сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с расплавленными металлами
3.1 Фемтосекундная лазерная система сверхсильного светового поля на
сапфире с титаном
3.1.1 Общее описание лазерной системы
3.1.2 Основные характеристики излучения системы
3.2 Экспериментальная установка для исследования плазмы, создаваемой на
поверхности расплавленного металла
3.2.1 Схема эксперимента и камеры взаимодействия
3.2.2 Экспериментальные методики
Измерение жесткого рентгеновского излучения из плазмы
Измерение ионных времяпролетных сигналов
Оптическая диагностика
3.2.3 Выбор материала мишени
3.3 Выводы к разделу
4 Формирование быстрых электронов и генерация жесткого рентгеновского излучения
в плазме, формируемой при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с поверхностью расплавленного металла
4.1 Влияние условий эксперимента и типа мишени на параметры источника
4.1.1 Галлиевая мишень
4.1.2 Индиевая мишень
4.1.3 Висмутовая мишень
4.1.4 Роль давления в камере взаимодействия
4.2 Влияние контраста излучения и его поляризации
4.2.1 Галлиевая мишень
Измерение по двухдетекторной методике
Влияние к-альфа излучения галлия на оценку средней энергии горячих
электронов: измерение методом полосовых фильтров
4.2.2 Индиевая мишень
4.3 Выводы к разделу 4:
5 Ускорение ионов в плазме, формируемой при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения плазме с поверхностью расплавленного металла
5.1 Общий анализ экспериментальных результатов для галлиевой мишени
5.2 Влияние поляризации и контраста на ионные токи для галлиевой мишени
5.3 Ионные токи для индиевой мишени
5.4 Выводы к разделу
6 Оптическое зондирование плазмы и общее обсуждение полученных результатов
6.1 Экспериментальные результаты по оптическому зондированию плазмы
6.2 Анализ возможных механизмов, приводящих к наблюдаемым
особенностям во взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного излучения с поверхностью расплавленного металла
6.3 Выводы к разделу
7 Заключение и выводы
8 Благодарности
9 Литература

1 Введение
Актуальность темы
Создание, лазерных систем сверхсильного светового поля «настольного типа», генерирующих импульсы длительностью от 20 фс до 1 пс с энергией от единиц миллиджоулей до нескольких джоулей открыло новые перспективы как для фундаментальных исследований (релятивистская и аттосекундная лазерная физика, нелинейная квантовая электродинамика, ядерная физика), так и в области прикладных наук.
Сверхинтенсивное лазерное излучение позволяет получать сверхсильиое световое поле, недоступное для получения другими способами в лабораторных условиях (при интенсивности />1016 Вт/см2 напряженность светового поля превышает напряженность внутриатомного в атоме водорода Еа>О9 В/см). В режиме сверхсильного светового поля оказывается возможным изучать фундаментальные свойства вещества в сильно неравновесных, экстремальных состояниях, проводить ядерно-физические эксперименты, а также достичь субпико- и аттосекундного временного разрешения при исследовании временной динамики процессов. В настоящее время в мире функционирует довольно много лазерных систем, излучение которых может быть сфокусировано до таких интенсивностей. Ряд коммерческих компаний выпускает такие системы серийно. Более того, целый ряд созданных в различных лабораториях установок позволяет достигать интенсивностей свыше так называемой релятивистской интенсивности (1.38х1018 Вт/см2 мкм2). В этом режиме взаимодействия оптического излучения с веществом уж получены уникальные результаты по ускорению электронов и ионов, ядерным процессам и др. [1,2,3,4]. Новые перспективы открываются в связи с достижением интенсивности свыше 1022 Вт/см2 [5, 6].
Тем не менее на данный момент существенный интерес для практических применений представляет диапазон интенсивностей от 1016 Вт/см2 до 1017 Вт/см2. Одной из важных и перспективных задач в данном контексте исследований является возможность создания нового поколения источников излучения сверхкороткой длительности в ВУФ, рентгеновском и гамма-диапазонах спектра [1,2, 7,8, 9, 10].
Лазерно-плазменные источники рентгеновского и корпускулярного излучения в настоящее время активно исследуются с точки зрения возможности их применения в самых различных задачах, требующих импульсного излучения с малой длительностью и/или высокой спектральной яркостью. К таким задачам можно отнести диагностику быстропротекающих процессов рентгеновскими методами (спектроскопия ХАРБ [11,12],

температура кипения которых значительно превосходит температуру нагрева мишени при проведении эксперимента.
Оценим время остывания мишени до исходной температурь; в случае воздействия лазерным импульсом, имеющим форму дельта-функции во времени, используя одномерное уравнение теплопроводности вдоль оси х, при условии; что в момент времени £=0 в плоскости х=0 мгновенно поглотилось количество тепла на единицу поверхности ц = И7(1 - Д) (Ж- плотность энергии излучения, Я - коэффициент отражения). Тогда температура среды изменяется во времени и пространстве согласно :
<3-6>
где х ~ коэффициент температуропроводности. За время остывания выбиралось время, за которое температура на глубине х падает в е раз. Для оценки брались следующие характерные для нашего эксперимента значения параметров: д=106Дж/м2, Я=95%, Л=1 мкм.
Сведения о физических параметрах некоторых легкоплавких металлов приведены в Табл. 3.3. Следует отметить, что такие характеристики, как температуропроводность, поверхностное натяжение и кинематическая вязкость приведены для комнатной температуры, а давление насыщенных паров -дано при температуре плавления. Результаты оценки параметров, критичных для выбора материала мишени,- приведены в Табл. 3.4.
Проведенные оценки показывают, что большинство рассматриваемых металлов могут быть использованы в экспериментах по взаимодействию сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью расплавленной мишени. Недостатком цинка является, очевидно, относительно высокое значение давления насыщенных паров при низкой температуре кипения. В наше рассмотрение не включена ртуть, поскольку данный металл крайне ядовит и обладает очень высоким давлением насыщенных паров. Наибольший интерес для экспериментов представляет, безусловно, галлий, выгодно отличающийся низкой температурой плавления и очень низким давлением насыщенных паров. Именно этот металл уже был успешно использован в первых экспериментах [72, 73]. Оценки времен различных процессов, критичных для постановки наших экспериментов, показывают, что все рассматриваемые металлы обладают, по порядку величины, сходными характерными временами релаксации материала.
Таким образом, в качестве основной мишени был выбран галлий. Поскольку для целого ряда приложений представляет интерес использование мишеней с различными