Возбуждение собственных колебаний и генерация электромагнитного излучения в плазменных структурах, формируемых фемтосекундными лазерными импульсами

• Автор: Костин, Василий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08, 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Генерация терагерцового излучения при ионизации газа фемтосекундными лазерными импульсами, сфокусированными аксикон-ной линзой
1.1 Исходные приближения и уравнения. Механизмы возбуждения
низкочастотных терагерцовых токов в плазме
1.2 Аналитические решения
1.2.1 Модель ионизационного фронта со скачком плотности плазмы
1.2.2 Решение в случае однородного плазменного шнура с резкой границей
1.2.3 Вытекающие собственные волны плазменного цилиндра
1.2.4 Решение для плазменного шнура с размытой границей
1.2.5 Электромагнитное излучение, генерируемое за ионизационным фронтом при наличии остаточной плотности тока
и внешнего электрического поля
1.3 Результаты численного моделирования
1.3.1 Спектры излучения в случае профиля плотности плазмы
без плато
1.3.2 Доминирующий механизм генерации терагерцового излучения и оптимальные условия для наиболее эффективной генерации

2 Преобразование статического электрического поля в электромагнитное излучение при распространении фронта ионизации в приповерхностном слое диэлектрика
2.1 Исходные приближения и уравнения
2.2 Лапласовские изображения полей и токов и разложение полей по собственным волнам плазменного слоя
2.3 Быстрые вытекающие волны, распространяющиеся вдоль плазменного слоя
2.3.1 Чётные ГМ-волны
2.3.2 Нечётные ГМ-волны
2.3.3 Чётные и нечётные ГЕ-волны
2.4 Расчёт спектров и временных зависимостей генерируемых электромагнитных полей
2.4.1 Приближенные аналитические решения для тонкого слоя
2.4.2 Трансформация статического электрического поля на границе быстро ионизуемой среды
2.4.3 Оптимальные условия для эффективной генерации тера-
герцового излучения за фронтом быстрой волны ионизации в фотопроводнике
3 Возбуждение поверхностных и объёмных плазмонов при быстрой ионизации атомного кластера
3.1 Исходные уравнения и приближения
3.2 Одномерная модель для оценки бесстолкновительных потерь
3.3 Резонансы дипольного момента и поля в центре кластера
3.4 Возбуждение поверхностхных и объёмных плазмонов при мгновенном и плавном нарастании плотности плазмы
3.4.1 Возбуждение собственных колебаний в мгновенно ионизуемом кластере
3.4.2 Возбуждение поверхностного плазмона в атомном кластере при плавном росте плотности плазмы
Заключение

Введение
Актуальность темы диссертации
Создание мощных лазеров, способных генерировать импульсы фемтосекундной длительности с амплитудами электрического поля порядка внутриатомных полей, стимулировало в последние два десятилетия развитие фундаментальных и прикладных исследований в области физики быстрых процессов и, в частности, тех её аспектов, которые касаются возможности быстрого преобразования пространственной структуры и временных спектров электромагнитного излучения при его взаимодействии с нестационарной плазмой, создаваемой при оптическом пробое сред различных типов (как сплошных, так и на-нодисперсных). Такое преобразование привлекает внимание в связи с возможностью его использования для разработки новых методов генерации излучения (в частности, в трудно доступных или недостаточно освоенных диапазонах частотного спектра), а также для развития и совершенствования методов диагностики. Для достаточно широкого круга рассматриваемых физических явлений такое преобразование связано с возбуждением собственных колебаний и волн в образующихся плазменных структурах и последующим переизлучением их энергии в окружающее пространство.
Можно выделить три характерных типа таких структур и три соответствующих им круга физических проблем, вокруг которых сосредотачиваются в основном проводимые в настоящее время фундаментальные и прикладные исследования процессов этого рода.
К первому кругу проблем можно отнести генерацию низкочастотного (тера-герцового) излучения при пробое газов фемтосекундными лазерными импуль-

Рис. 1.3. Контур интегрирования для нахождения временных зависимостей полей.
также могут распространяться вдоль плазменного слоя или цилиндра (см., например, [41,43,50,59,112—123]). Ранее такие волны с заданным действительным значением фазовой скорости исследовались в [36] применительно к случаю тонкого плазменного слоя. При отсутствии внутренних потерь (столкновений) мнимая часть собственной частоты вытекающей волны характеризует, насколько быстро колебания в плазме излучаются в окружающее пространство, и фактически является декрементом радиационных потерь этой волны.
Комплексные частоты этих волн равны iq-t (если выбираются е~шГ-процессы) и удовлетворяют уравнениям
4М =0. (1.47)
Для фиксированных значений параметров (радиуса цилиндра а, плазменной частоты а)р0, угла 9 и частоты столкновений v) это уравнение имеет бесконечное количество решений. Среди этих решений всегда найдётся бесконечное число высокочастотных решений. При отсутствии столкновений действительные части частот этих решений превосходят шР0/ sin 9 (все кривые на рисунке 1.4 и все