Диссертация (Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучки), страница 10

Превалирование гидродинамического механизмарасширения крупного кластера над кулоновским, обеспечивает «послойную» реализациюрезонанса Ми в течение сотен фемтосекунд, что ведет к высокому поглощению лазернойэнергии крупными (N>105) кластерами [135].Генерация рентгеновского излучения в кластерной наноплазмеВ [149] было впервые продемонстрировано, что в результате взаимодействия лазерногоизлученияскластерноймишенью,генерируетсятормозноеихарактеристическоерентгеновское излучение.

Неоднородная горячая плазма, которая формируется послепоглощения лазерного излучения, состоит из многозарядных ионов и захваченных имиэлектронов, которые при последующей эволюции переходят в возбужденные состояния, чтоведет к генерации рентгеновского излучения с энергией квантов близкой, к энергиихакактеристическихлиний(далее–характеристическоерентгеновскоеизлучение).Характеристическое рентгеновское излучение из кластерной наноплазмы является одним из38основных источников информации о процессах, протекающих в ней и может бытьиспользовано для мониторинга ее физических свойств [150, 151], а также для полученияизображениймикро-инанообьектов,втомчислеибиологических,свысокимпространственным и временным разрешением [152, 153].

Следует отметить, что контрастхарактеристического рентгеновского излучения из кластерной наноплазмы может быть выше(достигать65)поприповерхностнойсравнениюплазмесрентгеновскимтвердотельныхмишенейизлучением,[154].сгенерированнымОсобенностьювгенерациихарактеристического рентгеновского излучения в кластерной наноплазме является то, что времяиспускания таких фотонов больше, чем длительность первых стадий эволюции наноплазмы[98].Основными механизмами, ответственными за генерацию рентгеновского излучения вкластерной плазме являются фоторекомбинация, диэлектронная рекомбинация, возбуждениеиона электронным ударом [98, 155].Процесс фоторекомбинации является наименее эффективным (вероятность его дляэлектрона ~10−5) и происходит еще до распада кластера, когда достаточно велика егоэлектронная плотность, т.к.

сечение фоторекомбинации электрона и иона мало. Генерациярентгеновского излучения определяется диэлектронной рекомбинацией и возбуждениеммногозарядных ионов электронным ударом, что происходит на стадии однородной плазмы, и ихпротекание возможно только при существовании горячих электронов, энергия которыхдостаточна для возбуждения ионов.Придостаточновысокихинтенсивностях,генерацияхарактеристическогорентгеновского излучения может происходить за счет того, что пондеромоторная энергияэлектронов в поле лазерной волны будет превышать потенциал ионизации.

Пондеромоторнаяэнергия электрона может быть оценена как [122]:[][][где I-интенсивность лазерного излучения в Вт/см2,16интенсивностей ~10],(1.23)- его длина волны в мкм. Для2Вт/см , пондеромоторная энергия электронов составляет U≈0,6 кэВ. Этавеличина меньше потенциала ионизации К-оболочки, которая, например, для аргона составляет3,2 кэВ4. Возбуждение К линий в этом случае происходит за счет соударения свысокоэнергетическими электронами, доля которых в кластерной плазме составляет 10 −2 поотношению к общему числу электронов [156]. В [157] приведены зависимости сечения4еlectron binding energies, in electron volts, for the elements in their natural forms [электронный ресурс]. –http://xdb.lbl.gov/Section1/Table_1-1.pdf.39ионизации К-оболочки от энергии электронов и показано, чтосечение ионизации быстровозрастает при U≥ I p и достигает максимума при U равном приблизительно 2 I p .

Для К линий,например, серы, пондеромоторная энергия электронов становится равна удвоенномупотенциалу ионизации К оболочки ионов (энергия связи электронов К-оболочки атомов серысоставляет 2,478 кэВ) при интенсивности воздействующего лазерного излучения 8,3∙1016 Вт/см2.Т.о. при повышении энергии лазерного импульса оптимальной длительности выше пороговогозначения следует ожидать резкое возрастание выхода К излучения из кластеров , содержащихатомы серы.

Резкое возрастание выхода К линии из плазмы чистого аргона наблюдалось в[158] при превышении интенсивности выше порогового значения.Самофокусировка лазерного излучения в кластерной наноплазмеВыход рентгеновского излучения из газокластерной мишени определяется объемомобласти,вкоторойпроисходитэффективноевзаимодействиелазерногоизлученияс кластерами.

Так, возрастание выхода рентгеновского излучения при росте интенсивностилазерного излучения в[125, 159]связывалось с увеличением «эффективного фокальногообъема». Увеличение объема области эффективного лазерно-кластерного взаимодействияможет также происходить за счет самофокусировки лазерного излучения, при поджиманиипучка и достижении высоких интенсивностей на масштабах, больших релеевской длины: так,в [158] увеличение выхода характеристических рентгеновских квантов из плазмы кластероваргона связывалось с возникновением протяженного плазменного канала.Впервые самофокусировка лазерного излучения в кластерной наноплазме была описанав работе [11].

Оказалось, что в кластерной плазме для инициации самофокусировки лазерногоизлучения достаточно его интенсивности 5∙1015 Вт/см2. При ионизации кластера лазернымизлучением, образуются свободные электроны, плотность которых определяет значениеполяризуемости кластера. При доминировании областей с плотностью, превышающейкритическую, поляризуемость положительна, при доминировании областей с плотностьюменьшей критической – поляризуемость отрицательна. Показатель преломления в свою очередьприобретает положительную или отрицательную добавку в зависимости от значенияполяризуемости:̅ , где–плотность кластеров, а ̅ – средняя поляризуемостьансамбля из кластеров.В результате ионизации кластерной струи передним фронтом лазерного импульса,образуется наноплазма с надкритической плотностью, которая падает по мере расширениякластеров.

Но ионизация, нагрев и расширение кластерной наноплазмы происходит40неравномерно. Плотность плазмы возрастает и падает быстрее в приосевой области лазерногоимпульса, где интенсивность лазерного излучения больше и через определенное время (дляаргоновых кластеров радиусом 30 нм и лазерной интенсивности 5∙1015 Вт/см2 это времясоставляет порядка 300 фс) реализуется такое распределение электронной плотности, чтов приосевой области пучка поляризуемость принимает отрицательное значение, а на периферии– положительное. В результате, из-за модуляции показателя преломления происходитсамофокусировка лазерного излучения.В общем случае, средняя поляризуемость будет включать в себя два слагаемых:поляризуемость ансамбля из кластеров и поляризуемость некластеризованной фракции газа[160], определяющую конкурирующий процесс –дефокусировку на свободных электронах газа.Наличие газа может играть и положительную роль: в случае, если интенсивности лазерногоизлучения будет достаточно, то самофокусировка может происходить по классическомусценарию за счет керровского эффекта.О факте наличия самофокусировки в газокластерных струях судят по регистрациипротяженной плазменной области – «плазменного филамента»,образованного лазернымизлучением в струе.

Такая регистрация может проводиться методом тенеграмм [11, 152, 158,161–164], интерферограмм [11, 113, 162, 165], а также фиксированием непосредственноизображения светящейся плазмы [166].Генерация длинного плазменного канала в кластерной среде (как правило, длина такогоканала более релеевской длины излучения и соответствует ширине газокластерной струи, а егодиаметр порядка 100 мкм [167]) представляет интерес с точки зрения задачи созданияволновода излучения, так как профиль электронной плотностиимеет провал в приосевойобласти.

Экспериментально, создание таких плазменных каналов при лазерно-кластерномвзаимодействии было исследовано в [168] еще за 5 лет до обсуждения самофокусировкилазерного излучения в кластерной среде и позднее в ряде других экспериментальных работ[113, 158, 169], в том числе данному вопросу посвящен и обзор [167].Генерация третьей гармоники лазерного излучения в кластерной средеКластерная среда может использоваться для генерации гармоник лазерного излученияи с этой точки зрения так же сочетает преимущества газообразной (большая длинавзаимодействия, возможность фазового согласования) и твердотельной мишеней (большаянелинейная восприимчивость, изменение плотности в связи с расширением).Впервые процесс генерации гармоник в кластерной струе наблюдался в [12].

Модель,описывающая генерацию третьей гармоники (ГТГ) лазерного излучения, взаимодействующего41с малыми кластерами, была предложена в работе [170]. Основная идея, лежащая в основе этоймодели, состоит в том, что ГТГ происходит в поле лазерной волны за счет нелинейныхангармонических колебаний холодного электронного ядра кластера около ионного остова2.), при этом наличие градиента электронной плотности и электрон-ионные(Рис.1.столкновения не учитываются.