Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучки

• Автор: Жвания, Ирина Александровна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Взаимодействие интенсивного (1>1015 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными и кластерными мишенями
§1.1 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными мишенями
1.1.1 Генерация плазмы при воздействии на поверхность твердотельных мишеней интенсивным фемтосекундным лазерным излучением
1.1.2 Нелинейно-оптическое взаимодействие фемтосекундного интенсивного лазерного излучения с твердотельными мишенями: генерация рентгеновского излучения и второй гармоники
1.1.3 А бляция и возникновение глубоких микроканалов в режиме импульсно-периодического лазерного воздействия на мишень
1.1.4 Генерация наночастиц и микрочастиц при лазерной абляции в одно- и многоимпульсном режимах

§1.2 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с кластерами

1.2.1 Генерация и диагностика кластерного пучка при адиабатическом расширении газа через сопло
1.2.2 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с кластерами
1.2.3 Методы повышения выхода жесткого рентгеновского излучения из кластерной плазмы
Выводы
Глава 2. Генерация жесткого рентгеновского излучения и второй гармоники в плазме, образующейся при формировании микроканалов в твердотельных мишенях последовательностью интенсивных (I—1015—1016 Вт/см2) фемтосекундных лазерных импульсов
§2.1 Схема экспериментальной установки для исследования рентгеновского излучения и второй гармоники, генерируемых на поверхности и в микроканале мишени
§2.2 Динамика сигнала второй гармоники лазерного излучения и выхода жесткого рентгеновского излучения при формировании микроканала в мишени
§2.3 Спектральные особенности второй гармоники, отраженной от поверхности мишени
§2.4 Спектральные особенности второй гармоники, отраженной из микроканала в мишени
§2.5 Изображение пучка второй гармоники, отраженной назад из микроканала в мишени
Выводы
Глава 3. Возбуждение кластеров аргона фемтосекундным лазерным излучением интенсивностью 1я=1016 Вт/см2 (энергия в импульсе Е~5 мДж)
§3.1 Схема генерации газокластерного пучка и экспериментальной установки для изучения лазернокластерного взаимодействия
§3.2 Характеризация лазерного излучения, используемого в экспериментах: ограничение по энергии и измерение длительности чирпированных импульсов
§3.3 Генерация жесткого характеристического рентгеновского излучения при лазерном возбуждении кластеров аргона
§3.4 Оптимизация управляющих параметров при регистрации рентгеновского излучения
Выход рентгеновского излучения в зависимости от длительности и знака чирпа лазерного импульса

Выход рентгеновского излучения в зависимости от положения вакуумного фокуса лазерного пучка
относительно оси газокластерной струи и поглощение лазерного излучения
Модификация спектра лазерного излучения после взаимодействия с газокластерной струей
§3.5 Генерация третьей гармоники лазерного излучения. Изображения плазменного филамента
Выводы
Глава 4. Увеличение выхода рентгеновского излучения при воздействии фемтосекундного лазерного излучения (Е=5 мДж, 1=1016 Вт/см2) на кластеры многоатомных молекул. Детектирование смешанных кластеров и получение двухэнергетичекого источника рентгеновского излучения
§4.1 Выбор используемых смесей. Детектирование кластеризации с помощью
пироприэлектрического приемника и методом рэлеевского рассеяния
§4.2 Генерация характеристического рентгеновского излучения при лазерном возбуждении кластеров многоатомных молекул (SF6, CF3I и CF2C12) образующихся в присутствии газа-носителя (Аг, Не)_
§4.3 Оптимизация управляющих параметров при регистрации рентгеновского излучения. Модификация спектра лазерного излучения после взаимодействия с газокластерной струей
§4.4 Зависимость выхода рентгеновского излучения от давления газа и интенсивности лазерного излучения
§4.5 Генерация третьей гармоники и изображение плазменного филамента
§4.6 Формирование смешанных кластеров (CF2C12/Ar) в смеси молекулярного газа с газом-носителем Аг и в трехкомпонентной смеси (CF2C12-Ar-He)
Выводы
Заключение
Список публикаций по теме диссертации
Благодарности
Литература

Введение Актуальность темы
Появление фемтосекундных лазерных систем открыло новые уникальные возможности для проведения фундаментальных исследований в различных областях физики, химии и биологии [1]. Накопленный к настоящему времени в многочисленных коллективах опыт работы с такими системами положил начало развитию перспективных прикладных направлений фемтотехнологии: микрообработки материалов, прецизионной микрохирургии, биомедицине и ДР. [2,3].
С помощью импульсов фемтосекундной длительности (-100 фс) стало возможным получение сверхсильных световых полей в лабораторных условиях уже при миллиджоульных уровнях энергии и изучение экстремальных, сильно неравновесных состояний вещества. При воздействии фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2 на мишень, образуется высокотемпературная плазма, которая является источником высокоэнергетических заряженных частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов с энергиями квантов до десятка кэВ, эффективность генерации которых достигает величины порядка —КГ6. Взаимодействие лазерного излучения с этой плазмой сопровождается также процессом генерации второй гармоники лазерного излучения (ГВГ) с эффективностью достигающей КГ4. Рентгеновское излучение из фемтосекундной лазерной плазмы может быть использовано в рентгеноструктурном анализе с высоким временным разрешением для изучения динамики сверхбыстрых фазовых переходов и контроля состояния кристаллической решетки [4]. Кроме этого, оно наряду со второй гармоникой (ВГ) может являться инструментом диагностики параметров самой лазерной плазмы и энерговклада излучения в мишень [5, 6].
При импульсно-периодическом высокоинтенсивном лазерном воздействии в одну и ту же точку мишени, в результате процесса лазерной абляции, происходит вынос массы вещества мишени и образуется микроканал. При этом в процессе формировании канала, физическая картина сопутствующих процессов резко усложняется по сравнению с ситуацией, когда лазерное излучение падает на гладкую поверхность мишени. Концентрация лазерного излучения в канале и возможное увеличение локального поля на неровностях дна ведут к возрастанию поглощения энергии импульса, и, соответственно, к повышению температуры плазмы внутри канала и росту эффективности генерации рентгеновского излучения. С другой стороны, внутри канала может нарабатываться взвесь - «облако», содержащее нано- и микрочастицы мишени (кластеры) [7]. Взаимодействие лазерного излучения с таким облаком в

внешних его слоев, наступает резонанс и интенсивное поглощение энергии, затем, по мере дальнейшего расширения, резонансные условия реализуются на все более глубоких внутренних слоях кластера. В [143] показано, что оптимальная длительность лазерного импульса, предсказываемая этой теорией, хорошо соотносится с оптимальной длительностью, полученной экспериментально. В теоретической работе [141] оптимальная длительность для кластера аргона радиусом 60 нм — 300 фс (интенсивность 2-1015 Вт/см2). В экспериментальной работе [144] получены 300 фс в качестве оптимальной длительности по выходу рентгеновского излучения (Е>1,5 кэВ) из аргоновых кластеров 6=80 нм для интенсивности 5-1016 Вт/см2. В [143] представлена улучшенная модель наноплазмы, где рассчитанная оптимальная длительность оказывается 350 фс для интенсивности 1,6-1016 Вт/см2, энергии в импульса 3 мДж и диаметре аргонового кластера 70 нм.
Другим механизмом эффективного поглощения лазерной энергии может являться нелинейный резонанс [145, 146] - аналог механизма вакуумного нагрева в случае твердотельных мишеней [22]. Этот механизм реализуется, когда амплитуда пондеромоторных колебаний электронов сравнивается с диаметром кластера. Сперва электроны вырываются из кластера, а затем возвращаются под действием лазерного поля и электростатического поля, вызванного разделением зарядов лазерным излучением. Далее, энергетичные электроны1 проходят сквозь кластер и вылетают с противоположной стороны. Если вылет электронов происходит в фазе с лазерным излучением (внутри кластера лазерное излучение полностью экранируется), наблюдается резонансный нагрев, и кластер быстро поглощает лазерную энергию. Возникновение этого резонанса происходит при некотором пороговом значении интенсивности лазерного излучения (отсюда и название), которое, в свою очередь, пропорционально квадрату диаметра кластеров. Для реализации механизма нелинейного резонанса в случае кластеров диаметром 60 нм нужна интенсивность ~1016 Вт/см2. Но при увеличении длительности лазерного импульса, пороговая интенсивность падает, так как начинают реализовываться резонансы большего порядка, т.е. электрон преодолевает кластер не за один, а за несколько периодов поля [146]. Оптимальная длительность для нелинейного резонанса в случае аргонового кластера диаметром 40 нм и интенсивности 1016 Вт/см2 — также как и для резонанса Ми велико и достигает 500 фс [146]. Поэтому, в случае кластеров размера около 60 нм и интенсивностей порядка 1016 Вт/см2 нельзя четко выделить один механизм поглощения лазерной энергии; только во время нескольких первых периодов поля, когда слишком высока электронная плотность в кластере и не выполнены условия для достижения резонанса Ми, может работать только механизм нелинейного поглощения [147].