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

На правах рукописиЖВАНИЯ ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНАГЕНЕРАЦИЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯИ ОПТИЧЕСКИХ ГАРМОНИК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНОГОЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕМИШЕНИ И КЛАСТЕРНЫЕ ПУЧКИСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаавторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукМОСКВА – 2014Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:Гордиенко Вячеслав Михайловичдоктор физико-математических наук, профессор,заведующий лабораторией.Официальные оппоненты:Гарнов Сергей Владимировичдоктор физико-математических наук, доцент, зам. директорапо научной работе, заведующий отделом колебаний,федеральное государственное бюджетное учреждение науки«Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российскойакадемии наук (ИОФ РАН)».Пикуз Сергей Алексеевичкандидат физико-математических наук, заведующийлабораторией диагностики вещества в экстремальномсостоянии, федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Объединенный институт высокихтемператур РАН (ОИВТ РАН)».Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки«Институт спектроскопии Российской академии наук(ИСАН)».Защита состоится «23» октября 2014 года в 1500 на заседании диссертационного советаД 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносовапо адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д.1, стр.62, корпус нелинейнойоптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С текстом диссертации можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т, д.27) и на сайте физического факультетаМГУ имени М.В.

Ломоносова http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/Автореферат разослан «____» августа 2014 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентА.А. Коновко2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыПоявление фемтосекундных лазерных систем открыло новые уникальныевозможности для проведения фундаментальных исследований в различных областяхфизики, химии и биологии.

Накопленный к настоящему времени в многочисленныхколлективах опыт работы с такими системами положил начало развитиюперспективных прикладных направлений фемтотехнологии: микрообработкиматериалов, прецизионной микрохирургии, биомедицине и др.С помощью импульсов фемтосекундной длительности (~100 фс) сталовозможным получение сверхсильных световых полей в лабораторных условиях ужепримиллиджоульныхуровнях энергиииизучениеэкстремальных,сильнонеравновесных состояний вещества. При воздействии фемтосекундного лазерногоизлучения с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2 на мишень, образуетсявысокотемпературная плазма, которая является источником высокоэнергетическихзаряженных частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов с энергиями квантовдо десятка кэВ, эффективность генерации которых достигает величины порядка ~10−6.Взаимодействие лазерного излучения с этой плазмой сопровождается такжепроцессомгенерациивторойгармоникилазерногоизлучения(ГВГ)−4с эффективностью достигающей 10 .

Рентгеновское излучение из фемтосекунднойлазерной плазмы может быть использовано в рентгеноструктурном анализес высоким временным разрешением для изучения динамики сверхбыстрых фазовыхпереходов и контроля состояния кристаллической решетки. Кроме этого, оно нарядусо второй гармоникой (ВГ) может являться инструментом диагностики параметровсамой лазерной плазмы и энерговклада излучения в мишень.При импульсно-периодическом высокоинтенсивном лазерном воздействии водну и ту же точку мишени, в результате процесса лазерной абляции, происходитвынос массы вещества мишени и образуется микроканал. При этом в процессеформировании канала, физическая картина сопутствующих процессов резкоусложняется по сравнению с ситуацией, когда лазерное излучение падает на гладкуюповерхность мишени.

Концентрация лазерного излучения в канале и возможноеувеличение локального поля на неровностях дна ведут к возрастанию поглощенияэнергии импульса, и, соответственно, к повышению температуры плазмы внутриканала и росту эффективности генерации рентгеновского излучения. С другойстороны, внутри канала может нарабатываться взвесь - «облако», содержащее нано- имикрочастицы мишени (кластеры). Взаимодействие лазерного излучения с такимоблаком в режиме плазмообразования будет приводить к развитию процесса3самовоздействия (самодефокусировка, фазовая самомодуляция и др.), частичнойэкранировке и проблемам доставки энергии излучения на дно канала и, как следствие,изменению формы канала. Способом мониторинга наличия такой взвеси в режимереального времени, может являться анализ модификаций спектра лазерногоизлучения (или его второй гармоники), испытавшего в ней самовоздействие.Появление электронной компоненты в результате ионизации частиц взвеси будетприводить к сдвигу спектра лазерного излучения в коротковолновую область.

Кромеэтого, модификация спектра лазерного излучения и его второй гармоники можетвозникать и в силу других физических механизмов, таких как, например, отражениеизлучения от расширяющегося придонного плазменного слоя (эффект Доплера) илив результате взаимодействия излучения с ионно-акустическими волнами в плазме.Регистрация спектральных модификаций наряду с выходом рентгеновскогоизлучения и сигналом второй гармоники излучения могут обеспечить комплексныйподход к контролю взаимодействия лазерного излучения с мишенью в режимеобразования канала и выявлению причин, влияющих на эффективность этихпроцессов.

Изучение особенностей, возникающих при формировании микроканаловфемтосекундным лазерным излучением высокой интенсивности (порядка 10 15 Вт/см2и более) является важным, например, для задач обработки высокопрочныхматериалов (получение «охлаждающих» отверстий в компонентах газотурбинныхустановок, элементного анализа).Другой круг задач, вызывающий в настоящее время большой научный интерес,связан с исследованиями нелинейных процессов, возникающих при воздействииинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения на нанокластеры атомов илимолекул.Широко известен и исследован ставший уже классическим способ созданиянанокластеров, основанный на конденсации газа при его сверхзвуковом расширениичерез импульсное сопло в вакуум.

Обычно, в качестве такого газа выбираютсяинертные газы - Ar, Kr, Xe. Образованные таким образом кластеры являютсяуникальным физическим объектом в том числе и с точки зрения создания источникарентгеновского излучения при воздействии на них высокоинтенсивного(I>1015 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения. Кластерная мишеньобъединяет в себе преимущества твердотельной и газообразной мишеней и можетпоглощать до 95% энергии взаимодействующего с ней лазерного излучения.Кластерная наноплазма, возникающая под действием интенсивного фемтосекундноголазерного излучения, является источником не только рентгеновского излучения, нои высокоэнергетических ионов, нейтронов и электронов. Она обладает ярковыраженными нелинейно-оптическими свойствами: распространение интенсивного4фемтосекундного лазерного излучения в ней сопровождается филаментацией,генерацией гармоник и излучения в терагерцовом диапазоне.

Яркоехарактеристическое рентгеновское излучение из кластерной наноплазмы может бытьполучено с эффективностью сопоставимой со случаем твердотельной мишени. В этойсвязи одной из актуальных проблем является повышение эффективности генерациирентгеновского излучения и расширение набора получаемых характеристическихлиний.Очевиднымспособомповышенияэффективностигенерациихарактеристического рентгеновского излучения (кроме управления интенсивностьюлазерного излучения) является использование крупных кластеров, содержащих более106 частиц. Простейший способ увеличения размера кластеров - повышение давлениярабочего газа в пределах 10-100 атм. Другим ключевым параметром, определяющимэффективность генерации рентгеновского излучения, является плотность электронов,возникших в результате начальной ионизации кластера лазерным импульсом.В наноплазме, образованной кластерами многоатомных молекул, электроннаяплотность может быть выше по сравнению с кластерной наноплазмой на основеинертного газа.

Кроме того, использование молекулярных газов выгодно и в планерасширения набора линий характеристического рентгеновского излучения.Эффективным способом создания крупных молекулярных кластеров являетсяиспользование смеси, состоящей из легкокластеризующегося молекулярного газаи относительно легкого газа-носителя, взятого в более высокой концентрации.Поэтому можно ожидать, что генерация характеристического жесткогорентгеновского излучения (с энергией квантов более 2 кэВ) будет происходитьс высокой эффективностью при использовании в качестве мишени крупных кластеровмногоатомных молекул.Использование смесей многоатомных молекул с инертными газами приопределенных концентрациях может сопровождаться появлением смешанныхкластеров, содержащих и атомы и молекулы.