Спектрально-временные характеристики плазмы при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с жидкими средами

• Автор: Соколова, Екатерина Борисовна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава I. Особенности лазерного искрового спектрального анализа вещества
1.1. Основные принципы лазерной искровой спектроскопии
1.2. Динамика распространения плазмы в жидкости в зависимости от длительности возбуждающего импульса
1.3. Способы и характеристики двухимпульсного возбуждения лазерной плазмы
Глава II. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с жидкими средами
2.1. Экспериментальная установка при одноимпульсном способе возбуждения фемтосекундной лазерной плазмы
2.2. Регистрирующая система, ее спектральные характеристики и образцы, используемые для анализа
2.3. Схема экспериментальной установки при двухимпульсном способе возбуждения фемтосекундной лазерной плазмы
Глава III. Исследование спектрально-временных характеристик фемтосекундной лазерной плазмы. Оценка термодинамических параметров.
3.1. Исследование спектрального состава лазерной плазмы морской воды зависимости от длительности возбуждающего импульса 50 и 650фс

3.2. Исследование эмиссионных спектров при пробое на

поверхности фильтров с осажденным на них фитопланктоном
3.3. Исследование временных характеристик линейчатого и сплошного спектров при пробое на поверхности морской воды
3.4. Оценка температуры и электронной плотности плазмы

Глава IV. Пределы обнаружения элементов методом ЛИС при возбуждении фемтосекундной лазерной плазмы на поверхности 85 солевых растворов
4.1. Определение пределов обнаружения элементов в

фемтосекундной лазерной плазме
4.2. Соотношение пределов обнаружения элементов в

фемтосекундной лазерной плазме
4.3. Оценка возможности двух импульсного возбуждения

Заключение

Список литературы

Введение
На сегодняшний день область лазерной физики, занимающаяся изучением процессов распространения лазерного излучения в жидких и биологических средах, активно развивается. Новейшие источники лазерного излучения позволяющие генерировать высокомощные импульсы ультракороткой длительности открывают новые возможности не только для решения фундаментальных задач, но и для прикладных исследований. Часть из них направлена на изучение нелинейных оптических процессов, к которым можно отнести самофокусировку и генерацию гармоник, филаментацию и суперконтинуум. Однако не меньшее внимание уделяется методам элементного химического анализа, использующим фемтосекундные лазерные импульсы в качестве источника возбуждения лазерной плазмы.
Оперативная методика исследования вещества с помощью лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) отлично зарекомендовала себя в области биологии, химии, геологии, экологической безопасности и т.д. Основная масса работ по данному направлению приходится на исследования, использующие лазерное излучение наносекундной длительности. Это объясняется их компактностью, дешевизной и относительной стабильностью в работе, чего пока нельзя сказать про большие фемтосекундные комплексы. Однако понимание принципов фемтосекундного плазмообразования может расширить возможности метода ЛИС и повысить его чувствительность.
Как правило, фундаментальные исследования спектральных характеристик, динамики электронной плотности и температуры плазмы при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с жидкостями проводятся на временном интервале 1 не, что в первую очередь связано с вышеупомянутыми нелинейными процессами. Но спектрально-временные характеристики плазмы генерируемой фемтосекундными импульсами пока еще не достаточно изучены на временах, превышающих 10 не. Хотя для исследования процессов формирования

В фемтосекундной плазме длительности импульса в несколько раз меньше времени электронного охлаждения и рекомбинации, поэтому плотность энергии будет определяться числом свободных электронов, образованных во время импульса и умноженным на среднюю энергию каждого электрона: е = (3/2) •Аг-АЕ.
Теоретическая зависимость плотности энергии плазмы от длительности импульса подтверждается экспериментальными наблюдениями, где при уменьшении длительности импульса интенсивность свечения плазмы будет спадать [6, 63] (при пс образование кавитационных пузырьков становится экспериментальным критерием создания оптического пробоя в воде). Данная зависимость от длительности импульса также объясняет, почему механические воздействия (ударная волна и кавитация) менее выражены при ультракоротких лазерных импульсах, чем при наносекундных [7, 63]. Использование
фемтосекундных импульсов позволяет испарять материал без его повреждения, тогда как любое минимальное воздействие наносекундных импульсов для материала будет более разрушительным [62, 63].
По оценкам плотности энергии плазмы после лазерного пробоя составит 40 кДж/г для 6 не, 10 кДж/г для 30нс [62], и менее 1 кДж/г для 100 фс [63]. Расчетное значение в работе [4] (при 77 = Ю20 см'3), для 6 не (150 кДж/г) примерно в четыре раза выше, чем измеренное значение для той же длительности импульса, связано это с упрощением модели, в частности с пренебрежением процессов расширения плазмы во время действия лазерного импульса. Результаты, для 100 фс и 30 пс (150 Дж/см3 и 550 Дж/см3) примерно на порядок меньше экспериментальных значений и гораздо меньше энтальпии испарения воды (2,5 кДж/см3), а это значит, что они не верны, т.к. оптический пробой в воде всегда сопровождается кавитацией [6, 63]. Что касается значений полученных при 77= 1021 см'3, то для длительности 30 пс и менее, они составят 1.5 кДж/см3 для 100 фс, 5.5 кДж/см3 для 30 пс и будут хорошо согласовываться с экспериментом.
Эти результаты опровергают предположения сделанные Кеннеди [6] и Неймцом [65], поскольку в их случае значение максимальной плотности