Теоретическое исследование оптических свойств металлов, взаимодействующих с фемтосекундными лазерными импульсами

• Автор: Бежанов, Станислав Георгиевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с.

Содержание
1 Введение

2 Модель металла

2.1 Основные уравнения и величины

2.2 Уравнения для поля, скорости и температуры в приближении медленной амплитуды

3 Поглощение и отражение фемтосекундного импульса э-

поляризованной волны

3.1 Отражение и поглощение импульса э-поляризованной волны однородным металлом

3.2 Отражение и поглощение импульса й-поляризованной волны неоднородным металлом

3.3 Параметры численного решения уравнений для поля и температуры

3.4 Результаты численных расчетов в случае использования лазера на хром-форстерите

3.5 Результаты численных расчетов в случае использования СС^-лазера
4 Поглощение и отражение фемтосекундного импульса р-
поляризованной волны
4.1 Отражение и поглощение импульса р-поляризованной волны однородным металлом
4.2 Отражение и поглощение импульса р-поляризованной волны неоднородным металлом
4.3 Результаты численных расчетов в случае использования лазера на хром-форстерите

4.4 Результаты численных расчетов в случае использования
СО2-лазера
5 Генерация второй гармоники фемтосекундными импульсами
5.1 Поле в металле на основной частоте
5.2 Нелинейный ток в металле и восприимчивость
5.3 Поле излучения, создаваемое наведенной поляризацией
5.4 Излучение на частоте второй гармоники
5.5 Влияние нагрева электронов на генерацию гармоник
5.6 Генерация 5-поляризованной второй гармоники в условиях
сильно неоднородного нагрева металла
6 Генерация третьей гармоники горячими электронами металла
6.1 Основные соотношения
6.2 Поле и температура в металле на основной и удвоенной частоте
6.3 Генерация третьей гармоники
6.4 Обсуждение и количественные оценки
7 Приложение I. Генерация тока увлечения я-поляризованным фемтосекундным импульсом
8 Приложение II. Приближенное аналитическое вычисление коэффициента поглощения и сдвига фазы в случае неоднородной по скин-слою диэлектрической проницаемости
9 Заключение

1 Введение
Создание лазеров, позволяющих генерировать импульсы длительностью в несколько десятков фемтосекунд, сделало возможным изучение множества явлений, ранее недоступных для непосредственного экспериментального наблюдения. Помимо фундаментальных исследований, фемтосекундные импульсы нашли широкое применение в прикладных областях. Сюда можно отнести лазерную абляцию металлов [1, 2, 3] и диэлектриков [4, 5, б]; изменение физических характеристик поверхностей, такое как окрашивание [7] и широкодиапазонное поглощение [8, 9, 10]; формирование ультракоротких электронных пучков [11]; создание наноструктур [12, 13, 14]; термоядерный синтез [15, 16].
Как правило (см., например, [17, 18, 19]), при теоретическом и экспериментальном изучении взаимодействия фемтосекундных импульсов рассматривается падение импульса из полупространства г < 0 на металл, расположенный в области г > 0 (рис.1). При такой схеме линейный
Рис. 1: Типичная схема взаимодействия фемтосекундных импульсов с металлом, занимающим полупространство.

d = (ку/sin2
(3.24)
- характерная глубина проникновения поля в металл. Подставив явный вид 4 в (3.22), (3.23) и введя обозначения

{e-i) = dze2(z)exр

( (3.25)
(3.26)
00 oo z
(НІ) = і Jdzexp (-|) Ez) = ± (-|) Щ)

(ei> = J dze{z) exp
2 2 ”d
(3.27)
(3.28)
получим выражения, из которых явно видно отличие выражений (3.22),(3.23) от формул Френеля (3.16), (3.17) [78]:
2 cos 0 (£2)

у/sin2 9 — є 11 ~ £1 ’
2cos0/sm20 - Єї tM^<= (-£, - cos 20) x

1 + i
1 - Єї
2 (—Єї — cos 20) (sin2 0 - Єї) 1 1 - Єї (Hi)
(3.29)
- (3.30)
8 (sin2 0 — £i)2 4 ( Sl — COS 20) (gin2 q _ £l)
При v > u; аналитических формул не существует. В этом случае для описания оптических свойств металла необходимо численное решение уравнения для поля
+ к2 [e{z,t) - sin2 0] Ei(z,t) = О,
(3.31)