Генерация высокотемпературной плазмы и массоперенос аблируемых частиц при воздействии последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на твердотельные мишени в газовой среде

• Автор: Макаров, Иван Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МИШЕНЬЮ В ВОЗДУХЕ
§1.1 Генерация фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени в вакууме
§1.2 Фемтосекундная лазерная плазма модифицированных мишеней
§1.3 Доставка фемтосекундного лазерного излучения на мишень в условиях ионизации газовой среды
§1.4 Лазерное управление плотностью газа вблизи поверхности мишени
§1.5 Процессы абляции и формирование тонкопленочных покрытий при взаимодействии высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью
Выводы
ГЛАВА 2. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА НА ХРОМ-ФОРСТЕРИТЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
§2.1 Принципиальная схема хром-форстеритовой лазерной системы
§2.2 Измерение длительности и спектра импульса хром-форстеритовой лазерной системы
§2.3 Измерение контраста излучения хром-форстеритового лазера
§2.4 Измерение диаметра лазерного пучка в фокусе объектива и линзы
Выводы:
ГЛАВА 3. ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В КАНАЛЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МИШЕНИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ В АТМОСФЕРЕ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
§3.1 Описание схемы экспериментальной установки
§3.2 Увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной МИШЕНИ
§3.3 Сравнительное исследование зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы и процессов абляции в различных режимах
фокусировки лазерного излучения

§3.4 Характеризация лазерно-индуцированных каналов твердотельной мишени
§3.5 Измерение спектра второй гармоники, отраженной из канала мишени назад, и оценка концентрации электронов плазмы воздуха
Выводы:
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ПРИ ДВУХИМПУЛЬСНОМ НАНО-ФЕМТОСЕКУНДНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ МИШЕНЬ В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА
§4.1 Описание схемы экспериментальной установки
§4.2 Увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени в ДВУХИМПУЛЬСНОМ режиме воздействия
§4.3 Оценка степени откачки воздуха на поверхности и в канале мишени
Выводы:
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПРИ ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ ПЕРЕНОСЕ АБЛИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИМПУЛЬСНОПЕРИОДИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ПЕНОГРАФИТ В АЗОТЕ
§5.1 Описание схемы экспериментальной установки
§5.2 Оценка объемов вынесенного и напыленного материалов мишени за импульс
§5.3 Сравнение морфологии поверхностей пленок прямого и обратного напыления
Выводы:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы
Стремительный прогресс в создании мощных фемтосекундных лазерных систем привел в 80-90-х гг. к появлению новых задач в нелинейной оптике [1,2,3,4]. Фемтосекундные лазерные системы, обладая малой длительностью светового импульса (т~100 фс), позволяют в лабораторных условиях генерировать сверхсилъные световые поля, недоступные для получения иньми методами. Так фокусировка фемтосекундного лазерного излучения уже миллиджоульного уровня энергии в импульсе позволяет достигать интенсивностей 1~1016 Вт/см2, обеспечивая превышение напряженности светового поля над напряженностью внутриатомного поля. Использование сверхсильных световых полей делает возможным изучение фундаментальных свойств вещества в экстремальных и сильно неравновесных состояниях, а также проведение ядерно-физических экспериментов с использованием корпускулярного и электромагнитного излучения, возникающего в высокотемпературной плазме фемтосекундного лазерного импульса. Ключевой особенностью такой плазмы является ее высокие величины плотности (порядка твердотельной) и кратности ионизации атомов, двухкомпонентное распределение электронов по энергиям, отвечающее тепловым и “горячим” электронам [5,6,7]. При интенсивностях сфокусированного лазерного излучения порядка 1~1016 Вт/см2 индуцированная фемтосекундная лазерная плазма является источником рентгеновских квантов с энергиями от сотен электрон-вольт (эВ) до нескольких десятков кэВ, представляя интерес с точки зрения создания источников жесткого рентгеновского излучения сверхкороткой длительности, возбуждения ядер, получения нейтронов и др.
На сегодняшний день наиболее подробно оказалась рассмотренной задача генерации фемтосекундной лазерной плазмы на гладкой поверхности твердотельной мишени в вакууме. Причины использования гладких мишеней очевидны и заключаются в возможности проведения более простых численных и теоретических оценок основных параметров фемтосекундной лазерной плазмы, а также простоты сравнительного анализа данных эксперимента и теории [8,9]. Вместе с тем, средняя энергия горячей электронной компоненты плазмы и выход жесткого рентгеновского излучения, зависят не только от параметров лазерного излучения, но и определяются свойствами твердотельных мишеней, например, модификацией поверхности. Это обстоятельство используется в задачах управления характеристиками фемтосекундной лазерной плазмы [10,11,12]. Среди рассмотренных в литературе основных типов модифицированных мишеней приводятся пористые мишени [13,14], поверхность с периодическим рельефом [10,15,16], кратер в мишени [17,18] и др. При взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с такого типа мишенями происходит увеличение энерговклада за счет механизмов подавления
В нашем случае была реализована оптическая схема диагностики длительности импульса на выходе из хром-форстеритовой фемтосекундной лазерной системы (и спектра -см. ниже) за одну вспышку (Рис. 2.2). Попадание лазерного излучения в схему контролируется при помощи двух диафрагм, установленных на входе в схему и на выходе. Две отводные пластинки и два алюминиевых зеркала формируют два сходящихся под утлом 9 градусов пучка одинаковой интенсивности. В месте пересечения этих пучков установлен кристалл БИЭР толщиной 0.8 мм, вырезанный под углом, близким к углу синхронной генерации второй гармоники первого типа (0 = 39 град, ф = 45 град). Поворотное устройство, рычаг и фиксатор которого выведены на переднюю панель, позволяет поворачивать кристалл в главной оптической плоскости на угол ±20 градусов, что обеспечивает синхронную генерацию второй гармоники излучения в диапазоне длин волн 800-1600 нм.

Рис. 2.2 Оптическая схема диагностики спектра и длительности излучения на выходе из фемтосекундной лазерной системы на хром-форстерите: 1 - фемтосекундное лазерное излучение; 2 - диафрагмы; 3 - широкополосные диэлектрические зеркала (R=100% на длине волны 1250 нм); 4 - кварцевые пластины (уполщина 1мм); 5 — алюминиевые зеркала; 6 -сферическая дифракционная решетка (количество штрихов на Рим - 600 штр, 11=-250 тт); 7 - кристалл КДР (толщина 0.7 мм); 8 - фильтр СЗС-26; 9 - CCD линейка (2048 элементов, размер пикселя 14 мкм).
Толщина нелинейного кристалла 0.8 мм обеспечивает спектральную ширину синхронизма ГВГ на длине волны 1240 нм 5000 см"1, (что соответствует длительности