Ионизация и рекомбинация в расширяющейся плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом

• Автор: Русанов, Андрей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Глава 1. Физические процессы в плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом
1.1. Общее описание физических процессов при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с веществом
1.2. Необходимость моделирования на больших временах
1.3 Выбор способа моделирования
1.4 Гидродинамические процессы в плазме
1.4.1 Особенности гидродинамических моделей
1.4.2 Уравнения модели
1.5. Кинетика фемтосекундной лазерной плазмы
1.5.1 Переходы между уровнями
1.5.2 Ионизация и рекомбинация
1.5.3 Перезарядка
1.5.4 Итог
1.6. Численные модели
1.7. Основные результаты главы
Глава 2. Построение и тестирование численной модели
2.1. Гидродинамические процессы
2.1.1 Лагранжевы координаты
2.1.2 Закон сохранения массы
2.1.3 Уравнение изменения импульса частиц
2.1.4 Уравнение теплопроводности
2.1.5 Размерность и симметрия численной схемы, вычисление координаты, площади и объема
2.1.6 Обмен энергией между электронной и ионной подсистемами
2.1.7 Гидродинамическое взаимодействие плазмы и газа
2.2 Ионизация, рекомбинация и перезарядка

2.3 Итоговые уравнения, порядок вычисления, устойчивость и сходимость
2.4. Основные результаты главы
Глава 3. Моделирование разлета плазмы и ее взаимодействия с газом
3.1. Разлет плазмы кремния и вольфрама в вакуум и газ
3.1.1. Начальные условия
3.1.2. Моделирование разлета плазмы в вакуум и газ
3.2. Интерпретация данных эксперимента
3.2.1. Эксперимент
3.2.2. Интерпретация
3.3. Полевая ионизация
3.4. Разлет в газ различного давления. Применение
3.4.1 Защита оптики
3.4.2 Напыление
3.5. Основные результаты главы
Заключение
Благодарности
Список литературы

Актуальность темы
За последние 15 лет появилось новое поколение лазерных систем, на которых достигаются интенсивности от 1014 Вт/см2 до релятивистских (1022 Вт/см2) [1, 2, 3, 4, 5, 6] и напряженности поля от 108В/см до 1012В/см, соответственно. При интенсивности более 6-1016Вт/см2 напряженность электрического поля превосходит напряженность внутриатомного поля в атоме водорода 5-109 В/см. Современные системы позволяют получать очень короткие импульсы: их длительности могут составлять 10-1000 фс, энергия импульсов может варьироваться от 1 мДж до единиц джоулей [5]. Воздействие таких импульсов на конденсированное вещество приводит к разогреву, ионизации и, как следствие, к образованию плазмы с уникальными характеристиками: ионы имеют большую кратность ионизации (г >10), температура может достигать 1 кэВ [7,8]. Все это достигается при твердотельной концентрации ионов [9].
При интенсивностях фемтосекундного лазерного импульса 1016-1017 Вт/см2 более 90% энергии передается в плазму благодаря столкновительным механизмам поглощения [10], которые формируют так называемый тепловой компонент плазмы: во время столкновений энергия электронов термализуется. Резкая граница дает возможность работать бесстолкновительным механизмам, создающим горячие электроны, суммарная энергия которых может составлять до 10% от энергии плазмы. Эффективная температура горячих электронов может на порядок превосходить температуру тепловых электронов Те. На резкой границе плазма-вакуум тепловые и горячие электроны образуют амбиполярное поле. Амбиполярное поле горячих электронов существует пока генерируются горячие электроны. Это поле приводит к появлению быстрых ионов, летящих со скоростями,

8(х,0= |р(х,Ос1х, (35)

где р — плотность вещества, х0 — координата, принятая за начало отсчета, обычно в качестве начала отсчета принимают неподвижную границу вещества.
После введения такой переменной из гидродинамических уравнений уходят члены, содержащие оператор дивергенции, что существенно облегчает построение численной схемы.
Для построения полностью консервативной схемы наиболее эффективна сетка с полуцелыми узлами [26]. Схематично она изображена на следующем рисунке:
по П, п2
Ро Р| Р2
Ро Рі Р2
• Т, т2
х0 х, х2 х3
ц0 и, и2 и3
Рисунок 5. Сетка с полуцелыми узлами.
В этой сетке такие параметры как плотность, давление, температура,
количество частиц в ячейке отнесены к полуцелым узлам (ячейкам), а эйлеровы координаты и гидродинамические скорости — к целым узлам (границам ячеек).
2.1.2 Закон сохранения массы
Закон сохранения массы (8) входит в систему уравнений (8)-(13), приведенную в первой главе. В одножидкостном приближении используется только одна плотность: плотность плазмы. Для удобства работы в двухтемпературном приближении в данной работе используются две