Диссертация (Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучки), страница 12

Таким образом, для того,чтобы повысить эффективность генерации характеристического жесткого рентгеновскогоизлучения (E>2 кэВ), следует использовать в качестве мишени крупные кластеры, состоящиеиз многоатомных молекул. Кроме того, использование молекулярных газов выгодно и в планерасширения набора линий характеристического рентгеновского излучения.Оптимальнымспособомсозданиякрупныхмолекулярныхкластеровявляетсяиспользование смеси, состоящей из тяжелого легкокластеризующегося молекулярного газаи относительно легкого газа-носителя более высокой концентрации [182, 14]. Атомы газаносителя при сверхзвуковом истечении газовой смеси из сопла служат для релаксацииколебательно-вращательнойэнергиимолекул;ониуносяттеплоту,выделяющуюсяпри сублимации и способствуют их более эффективной кластеризации. Кроме того, у рядамолекул, энергия связи больше, чем у атомов благородных газов, что, вероятно, ведет к болееэффективной кластеризации молекул (например, энергии связи для молекул гексафторида серы,фреона R-12 и трифторметилйодида – ε(SF6)=0,25 эВ, ε(CF2Cl2)=0,23 эВ [183], ε(CF3I)=0,36 эВ45[17] в то время как энергии связи для аргона и ксенона – ε(Ar)=0,08 эВ, ε(Xe)=0,16 эВ [183]).За счет малой поперечной скорости крупных кластеров, кластерная струя будет уже [182, 127].Сужение струи способствует также росту выхода лазерного излучения из-за повышенияконцентрации кластеров [163, 184].

При достаточно высоких концентрациях молекулярныхгазов, процесс кластеризации самого газа-носителя отсутствует [14]. При низких концентрациипримесных молекулярных газов ~3%, начинается образование новых структур – смешанныхкластеров, состоящих из молекул примесного газа и атомов газа-носителя. Эти структуры(в литературе, как правило, исследуются смешанные кластеры Xe-Ar, Kr-Ar, SF6-Ar [185, 186])в настоящее время исследуются как теоретически [187, 15], так и экспериментально [16].Известно, что ядро смешанного кластера составляют молекулы с большей энергией связи [185,188].

Вероятно, при лазерном возбуждении таких кластеров, спектр рентгеновского излучениябудет содержать характеристические линии всех компонентов, составляющих кластер.Представляет интерес вопрос о возможности управления парциальной концентрациейкомпонентов, образующих смешанные кластеры. Изменение концентрации компонентовкластера даст возможность управления выходом характеристического излучения на линияхкомпонентов.Возможнымспособомуправленияконцентрациейкластерообразующихкомпонентов является добавление к используемым смесям легкого термализующего газа(например, гелия).Выводы1.Спектр второй гармоники интенсивного (~1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерногоизлучения, генерируемой при воздействии излучения на поверхность твердотельной мишени,может испытывать разнообразные модификации.

Появление в спектре голубых сдвигов можетслужить индикатором наличия перед мишенью среды (газа или аблированного предымпульсомвеществамишени),вкоторойвозможносамовоздействиелазерногоизлучения.При многоимпульсном воздействии фс-лазерного излучения интенсивностью ~1016 Вт/см2в одну точку мишени, формируется глубокий микроканал. В зависимости от параметровизлучения, варьируется форма, глубина и морфология микроканала; внутри микроканала можетнарабатываться взвесь («облако») аблированных частиц мишени. Голубой сдвиг спектра ВГможет нести информацию о наличии такого облака, и о его электронной плотности послеионизации фронтом лазерного импульса.2.Известно, что кластеры являются перспективной средой для лазерной генерациихарактеристического рентгеновского излучения.

Можно ожидать, что использование крупныхкластеров многоатомных молекул, образующихся в смеси с легким газом-носителем, приведет46к высокоэффективной генерации характеристического рентгеновского излучения в диапазоне2-5 кэВ, при умеренных интенсивностях воздействующего фемтосекундного лазерногоизлучения (~1016 Вт/см2). Помимо этого, использование таких кластеров также позволитрасширить набор получаемых характеристических линий.

При этом, нелинейно-оптическиеэффекты (филаментация, ГТГ), сопутствующие распространению лазерного излученияв кластерной среде, можно использовать в качестве индикаторов формирования плазмы.3.При определенных концентрациях газовых смесей, могут формироваться смешанныекластеры, состоящие из различных атомов или молекул. Вероятно, спектр характеристическогорентгеновского излучения, генерируемого при лазерном возбуждении среды, может бытьиспользован для детектирования смешанных кластеров. Можно ожидать, что выходомхарактеристического излучения на линиях кластерообразующих частиц можно управлять,изменяя концентрацию компонентов, образующих смешанные кластеры.47Глава 2. Генерация жесткого рентгеновского излучения и второйгармоники в плазме, образующейся при формировании микроканаловв твердотельных мишенях последовательностью интенсивных(I~1015−1016 Вт/см2) фемтосекундных лазерных импульсовВ данной главе приводятся результаты измерений и анализ спектров второй гармоникилазерного излучения, возникающей при воздействии фемтосекундного излучения вакуумнойинтенсивности I≈1016 Вт/см2, на поверхность мишени (алюминий, плавленый кварц),находящейся в вакууме и воздухе.

Проводится исследование модификации спектров второйгармоники и основного излучения, а также динамики амплитуды сигналов второй гармоникии рентгеновского излучения, возникающих по мере формировании глубокого микроканалав мишени. Приводятся изображения пятна второй гармоники, отраженной из канала.Обсуждается вопрос наличия и параметров взвеси, образующейся внутри микроканала мишенив результате абляции.§2.1 Схема экспериментальной установки для исследования рентгеновскогоизлучения и второй гармоники, генерируемых на поверхностии в микроканале мишениВ наших экспериментах использовалось излучение лазерной системы на Cr:forsterite(=1,24 мкм, 140 фс, Е300-600 мкДж) [189] которое фокусировалось на поверхностьтвердотельной мишени объективом с фокусным расстоянием f=6 см (Рис.

2. 1, Рис. 2. 2).Для проверки результатов и проведения сравнительных экспериментов был задействован такжелазер на Ti:sapphire (=0,8 мкм, 60 фс, Е=0,5−3 мДж).Диаметр пятна в перетяжке был измерен путем переноса его изображения на ПЗС камеру[190] и его величина составиладля лазера на Cr:forsterite. Таким образом,при энергии 0,6 мДж, в перетяжке излучения достигалась интенсивность в вакуумных условияхпорядка I1,5·1016 Вт/см2. Длина рэлея в этом случае, оцененная по формуле[191],составила около 23 мкм.Контраст лазерного излучения на наносекундном масштабе (8 нс) составлял 60 или 300для лазера на Cr:forsterite и не хуже 105 для лазера на Ti:sapphire. Кроме этого, во втором случаеприсутствовал еще предымпульс на пикосекундном масштабе (25 пс), энергия которого в 200раз была меньше энергии основного импульса [192].

Угол падения излучения на мишень могменяться от 0° до 53° и в большинстве экспериментов составлял 53°. Остаточное давление48в вакуумной камере было не хуже 10−2 Торр и обеспечивалось форвакуумным насосом.Перемещениемишениосуществлялосьприпомощимикрометрическойподвижкис минимальным шагом 10 мкм.

В качестве мишеней, как правило, использовался алюминий(фольга толщиной 50, 100 мкм) и плавленый кварц. Выбор мишеней продиктован следующимипричинами.Во-первых, атомы алюминия и кремния имеют близкие атомные номера Z(13 и 14), что позволяет сравнивать результаты для этих двух мишеней по генерации плазмеи сопутствующим процессам.

При этом, в связи с тем, что алюминий – металл, а плавленыйкварц – диэлектрик, эти мишени имеют существенно разные пороги плазмообразования(глава1 §1), что может отразиться на взаимодействии предымпульса с мишенью и позволитьвыявить роль контраста лазерного излучения в исследуемых процессах. Кроме этого, для такихмишеней нашей экспериментальной группой ранее был получен ряд результатов, направленныхна характеризацию плазмы, возникающей при воздействии на нихлазерного излучениясистемы на Cr:forsterite.Рис. 2.

1. Схема эксперимента по измерению выхода жесткого рентгеновского излучения и спектров ВГ, отраженной отповерхности мишени. 1- фокусирующий объектив f=6 см; 2- мишень в вакуумной камере; 3- волоконный спектрометр; 4- ФЭУ.Регистрацияжесткоговысокотемпературной(E>2плазмой,кэВ)рентгеновскогоосуществляласьсизлучения,помощьюсцинтиллятором NaI и бериллиевым фильтром толщинойФЭУ-119испускаемогоснабженного90 мкм (далее – просто ФЭУ).Калибровка ФЭУ составляла 1,52 мВ/кэВ.

С помощью ФЭУ оценивался интегральный выходрентгеновского излучения в диапазоне более 2 кэВ, а также проводилась оценка эффективностиконверсии лазерного излучения в рентгеновское:импульса,, где– энергия лазерного– суммарная энергия рентгеновских квантов, сгенерированных за один49лазерный импульс.

При подсчете суммарной энергии рентгеновских квантов, учитывалосьпропускание фильтров и телесный угол; данная методика подробно описана в параграфе 3.3главы 3. Спектры второй гармоники лазерного излучения регистрировались с помощьюволоконного спектрометра Solar TII типа SL40-2-3648USB, отображающим спектр в диапазоне240-1100 нм с разрешением около 1,5 нм и временем экспозиции ≥10 мс.

Ошибка измеренияспектра, связанная с различными углами прихода излучения на спектрометр, была измеренас помощьюHe-Ne лазера и могла составлять ±2,5 нм. Схема эксперимента зависелаот конкретной задачи. Для регистрации спектров ВГ, отраженной от поверхности мишени,излучение ВГ собиралось линзой с фокусным расстоянием f=20 см на волоконный спектрометр.В случае, если производились измерения спектров ВГ, рассеянной из сформированногов мишени микроканала, использовались две различные схемы. В первой схеме, рассеянноеизлучение ВГ фокусировалось в обратном направлении на спектрометр (Рис.

2. 2а).а)б)Рис. 2. 2. Схемы экспериментов по измерению выхода жесткого рентгеновского излучения и спектров ВГ, рассеянной измикроканала. 1- фокусирующий объектив; 2- мишень в вакуумной камере; 3- волоконный спектрометр; 4- ФЭУ; а): 5- зеркалона длину волны воздействующего излучения; 6-линза, фокусирующая ВГ на спектрометр; 7 набор фильтров; б): 5- стекляннаяпластинка или зеркало на длину волны ВГ; 6 - зеркало на основную длину волны; 7 – нелинейный кристалл для ГВГ отосновного излучения.Во втором случае (Рис. 2.

2б),отраженное от мишени излучение ВГ отводилосьв перпендикулярном направлении зеркалом для второй гармоники и затем фокусировалосьна волоконный спектрометр. В этой схеме реализована возможность проверки спектраосновного излучения, рассеянного из микроканала мишени. Для измерения спектра основногоизлучения, отраженного от мишени, вместо зеркала для второй гармоники вставляласьстеклянная плоскопараллельная пластина, затем излучение фокусировалось линзой (f=28 см)в нелинейный кристалл LBO (толщина 4 мм) для получения второй гармоники, котораяфиксировалась на спектрометре. Также, с помощью зеркала (6) проводился контроль длиныволны основного излучения.50Для того, чтобы выделить излучение ВГ на фоне излучения плазмы, в экспериментахиспользовались оптические фильтры (интерференционный фильтр на длину волны 620 мкм,фильтры СЗС25, КС10).