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

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВНа правах рукописиЖВАНИЯ ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНАГЕНЕРАЦИЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИХГАРМОНИК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯНА МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МИШЕНИ И КЛАСТЕРНЫЕПУЧКИСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор ГОРДИЕНКО В.М.МОСКВА – 20142ОглавлениеВведение ________________________________________________________________________ 4Глава 1.

Взаимодействие интенсивного (I>1015 Вт/см2) фемтосекундного лазерногоизлучения с твердотельными и кластерными мишенями ____________________________ 14§1.1 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельнымимишенями ___________________________________________________________________________ 141.1.1 Генерация плазмы при воздействии на поверхность твердотельных мишеней интенсивнымфемтосекундным лазерным излучением _________________________________________________________ 141.1.2 Нелинейно-оптическое взаимодействие фемтосекундного интенсивного лазерного излучения ствердотельными мишенями: генерация рентгеновского излучения и второй гармоники _________________ 161.1.3 Абляция и возникновение глубоких микроканалов в режиме импульсно-периодического лазерноговоздействия на мишень _______________________________________________________________________ 201.1.4 Генерация наночастиц и микрочастиц при лазерной абляции в одно- и многоимпульсном режимах ___ 22§1.2 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с кластерами _________ 261.2.1 Генерация и диагностика кластерного пучка при адиабатическом расширении газа через сопло _____ 261.2.2 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с кластерами ______________ 301.2.3 Методы повышения выхода жесткого рентгеновского излучения из кластерной плазмы ___________ 42Выводы______________________________________________________________________________ 45Глава 2.

Генерация жесткого рентгеновского излучения и второй гармоники в плазме,образующейся при формировании микроканалов в твердотельных мишеняхпоследовательностью интенсивных (I~1015−1016 Вт/см2) фемтосекундных лазерныхимпульсов ______________________________________________________________________ 47§2.1 Схема экспериментальной установки для исследования рентгеновского излучения и второйгармоники, генерируемых на поверхности и в микроканале мишени ___________________________ 47§2.2 Динамика сигнала второй гармоники лазерного излучения и выхода жесткого рентгеновскогоизлучения при формировании микроканала в мишени _______________________________________ 52§2.3 Спектральные особенности второй гармоники, отраженной от поверхности мишени _________ 56§2.4 Спектральные особенности второй гармоники, отраженной из микроканала в мишени _______ 60§2.5 Изображение пучка второй гармоники, отраженной назад из микроканала в мишени _________ 65Выводы______________________________________________________________________________ 67Глава 3.

Возбуждение кластеров аргона фемтосекундным лазерным излучениеминтенсивностью I≈1016 Вт/см2 (энергия в импульсе E≈5 мДж) ________________________ 69§3.1 Схема генерации газокластерного пучка и экспериментальной установки для изучения лазернокластерного взаимодействия ____________________________________________________________ 69§3.2 Характеризация лазерного излучения, используемого в экспериментах: ограничение по энергии иизмерение длительности чирпированных импульсов ________________________________________ 74§3.3 Генерация жесткого характеристического рентгеновского излучения при лазерном возбуждениикластеров аргона ______________________________________________________________________ 78§3.4 Оптимизация управляющих параметров при регистрации рентгеновского излучения _________ 82Выход рентгеновского излучения в зависимости от длительности и знака чирпа лазерного импульса _____ 833Выход рентгеновского излучения в зависимости от положения вакуумного фокуса лазерного пучкаотносительно оси газокластерной струи и поглощение лазерного излучения __________________________ 84Модификация спектра лазерного излучения после взаимодействия с газокластерной струей ____________ 86§3.5 Генерация третьей гармоники лазерного излучения.

Изображения плазменного филамента ___ 88Выводы______________________________________________________________________________ 93Глава 4. Увеличение выхода рентгеновского излучения при воздействии фемтосекундноголазерного излучения (E≈5 мДж, I≈1016 Вт/см2) на кластеры многоатомных молекул.Детектирование смешанных кластеров и получение двухэнергетичекого источникарентгеновского излучения ________________________________________________________ 95§4.1 Выбор используемых смесей. Детектирование кластеризации с помощьюпироприэлектрического приемника и методом рэлеевского рассеяния _________________________ 95§4.2 Генерация характеристического рентгеновского излучения при лазерном возбуждении кластеровмногоатомных молекул (SF6, CF3I и CF2Cl2) образующихся в присутствии газа-носителя (Ar, He) __ 99§4.3 Оптимизация управляющих параметров при регистрации рентгеновского излучения.Модификация спектра лазерного излучения после взаимодействия с газокластерной струей______ 104§4.4 Зависимость выхода рентгеновского излучения от давления газа и интенсивности лазерногоизлучения ___________________________________________________________________________ 106§4.5 Генерация третьей гармоники и изображение плазменного филамента ____________________ 108§4.6 Формирование смешанных кластеров (CF2Cl2/Ar) в смеси молекулярного газа с газом-носителемAr и в трехкомпонентной смеси (CF2Cl2-Ar-He) ___________________________________________ 112Выводы_____________________________________________________________________________ 118Заключение ____________________________________________________________________ 121Список публикаций по теме диссертации _________________________________________ 124Благодарности _________________________________________________________________ 127Литература ____________________________________________________________________ 1284ВведениеАктуальность темыПоявление фемтосекундных лазерных систем открыло новые уникальные возможностидля проведения фундаментальных исследований в различных областях физики, химии ибиологии [1].

Накопленный к настоящему времени в многочисленных коллективах опыт работыс такими системами положил начало развитию перспективных прикладных направленийфемтотехнологии: микрообработки материалов, прецизионной микрохирургии, биомедицине идр. [2, 3].С помощью импульсов фемтосекундной длительности (~100 фс) стало возможнымполучение сверхсильных световых полей в лабораторных условиях уже при миллиджоульныхуровнях энергии и изучение экстремальных, сильно неравновесных состояний вещества. Привоздействии фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью порядка 10 16 Вт/см2 намишень,образуетсявысокотемпературнаяплазма,котораяявляетсяисточникомвысокоэнергетических заряженных частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов сэнергиями квантов до десятка кэВ, эффективность генерации которых достигает величиныпорядка ~10−6.

Взаимодействие лазерного излучения с этой плазмой сопровождается такжепроцессом генерации второй гармоники лазерного излучения (ГВГ) с эффективностьюдостигающей 10−4. Рентгеновское излучение из фемтосекундной лазерной плазмы может бытьиспользовано в рентгеноструктурном анализе с высоким временным разрешением для изучениядинамики сверхбыстрых фазовых переходов и контроля состояния кристаллической решетки[4]. Кроме этого, оно наряду со второй гармоникой (ВГ) может являться инструментомдиагностики параметров самой лазерной плазмы и энерговклада излучения в мишень [5, 6].При импульсно-периодическом высокоинтенсивном лазерном воздействии в одну и туже точку мишени, в результате процесса лазерной абляции, происходит вынос массы веществамишени и образуется микроканал.

При этом в процессе формировании канала, физическаякартина сопутствующих процессов резко усложняется по сравнению с ситуацией, когдалазерное излучение падает на гладкую поверхность мишени. Концентрация лазерногоизлучения в канале и возможное увеличение локального поля на неровностях дна ведут квозрастанию поглощения энергии импульса, и, соответственно, к повышению температурыплазмы внутри канала и росту эффективности генерации рентгеновского излучения. С другойстороны, внутри канала может нарабатываться взвесь - «облако», содержащее нано- имикрочастицы мишени (кластеры) [7]. Взаимодействие лазерного излучения с таким облаком в5режимеплазмообразованиябудетприводитькразвитиюпроцессасамовоздействия(самодефокусировка, фазовая самомодуляция и др.), частичной экранировке и проблемамдоставки энергии излучения на дно канала и, как следствие, изменению формы канала.Способом мониторинга наличия такой взвеси в режиме реального времени, может являтьсяанализ модификаций спектра лазерного излучения (или его второй гармоники), испытавшего вней самовоздействие.

Появление электронной компоненты в результате ионизации частицвзвеси будет приводить к сдвигу спектра лазерного излучения в коротковолновую область.Кроме этого, модификация спектра лазерного излучения и его второй гармоники можетвозникать и в силу других физических механизмов, таких как, например, отражение излученияот расширяющегося придонного плазменного слоя (эффект Доплера) или в результатевзаимодействияизлучениясионно-акустическимиволнамивплазме.Регистрацияспектральных модификаций наряду с выходом рентгеновского излучения и сигналом второйгармоники излучения могут обеспечить комплексный подход к контролю взаимодействиялазерного излучения с мишенью в режиме образования канала и выявлению причин, влияющихна эффективность этих процессов.

Изучение особенностей, возникающих при формированиимикроканалов фемтосекундным лазерным излучением высокой интенсивности (порядка1015 Вт/см2 и более) является важным, например, для задач обработки высокопрочныхматериалов (получение «охлаждающих» отверстий в компонентах газотурбинных установок,элементного анализа).Другой круг задач, вызывающий в настоящее время большой научный интерес, связан сисследованиями нелинейных процессов, возникающих при воздействии интенсивногофемтосекундного лазерного излучения на нанокластеры атомов или молекул.Широко известен и исследован ставший уже классическим способ созданиянанокластеров, основанный на конденсации газа при его сверхзвуковом расширении черезимпульсное сопло в вакуум [8].

Обычно, в качестве такого газа выбираются инертные газы –Ar, Kr, Xe.Образованные таким образом кластеры являются уникальным физическимобъектом в том числе и с точки зрения создания источника рентгеновского излучения привоздействии на них высокоинтенсивного (I>1015 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения[9].