Диссертация (Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучки), страница 14

Вероятно,в кварцевой мишени микроканал формируется гораздо дольше, имеет большую глубинуи генерация рентгеновского излучения в нем происходит более эффективно, за счет увеличенияэнерговклада в мишень. К увеличению энерговклада может вести ряд факторов, которыеобсуждались в параграфе 1 главы 1:– увеличение интенсивности лазерного излучения за счет его концентрации внутриконического микроканала мишени;– увеличение поглощения энергии лазерного излучения на лазерно-индуцированныхнаноструктурах внутри микроканала, дополнительное поглощение излучения на облаке,повисающем внутри микроканала, состоящем из продуктов разлета мишени.Следует отметить, что эффективность взаимодействия лазерного излучения с мишенью(в том числе и при формировании микроканала), можно также повысить, используядвухимпульсный режим воздействия, когда первый лазерный импульс создает зонупониженной плотности в области взаимодействия основного лазерного импульса с мишенью55[194].

В этом случае можно ожидать, что количество лазерных импульсов, необходимых длядостижения максимального выхода рентгеновского излучения из микроканала сокращается.Было установлено, что при воздействии на поверхность мишени из плавленого кварца,находящейся в вакууме, выход рентгеновского излучения (в диапазоне >2 кэВ), в 30 разпревышает выход, в случае если мишень находится в воздухе. При этом, эффективностьгенерации рентгеновского излучения составляет (1,1±0,7)∙10−6 для вакуумных условийи (3,6±2,3)∙10−8дляатмосферных.Полученнаявеличинаэффективностигенерациирентгеновского излучения на поверхности мишени, находящейся в вакууме согласуетсяс литературными данными, приведенными в параграфе 1.1.2 (для плазмы Ga - порядка 10−6[32, 195]; для Cu и Ni – максимальное значение 10−5 при интенсивности лазерного излученияI≈1016−1017 Вт/см2 [29]).

Эффективность же генерации рентгеновского излучения для мишенив воздухе согласуется с работой [196] (для медной мишени в воздухе эффективность составила~10−8 при интенсивности лазерного излучения I~1015 Вт/см2). При формировании микроканалав обоих случаях выход рентгеновского излучения возрастает и эффективность генерациидостигает(5,7±3,4)∙10−6 в случае вакуума и (4,4±2,5)∙10−7 в случае воздуха. В случаеформирования микроканала в алюминиевой мишени, эффективность генерации рентгеновскогоизлучения возрастает с (6,3±3,7)∙10−6 до (1,3±0,7)∙10−5 в вакуумных условиях и с (1,3±0,8)∙10−7до (5±3)∙10−7 в воздушных.

Надо заметить, что оценка величины эффективности генерациирентгеновского излучения из микроканала в мишени является заниженной. Это связано с тем,что ФЭУ, с помощью которого оценивался выход рентгеновского излучения, располагался подуглом 45° к направлению распространения лазерного излучения, и, соответственно,направлениюростамикроканала.Поэтому,регистрируемоерентгеновскоеизлучениепроходило через слой вещества мишени между ее поверхностью и дном микроканала(толщиной около глубины микроканала), в результате чего поглощались низкоэнергетичныекванты; поглощение в этом слое не учитывалось при оценке эффективности генерациирентгеновского излучения.

При этом, для кварцевой мишени данная оценка занижена сильнее,так как микроканал в том случае был существенно глубже, чем для алюминиевой мишени.Таким образом, на основе результатов проведенных экспериментов, можно утверждать,что сигнал ГВГ может быть использован наравне с сигналом рентгеновского излученияв качестве индикатора локального энерговклада лазерного излучения, воздействующегона твердотельную мишень.56§2.3Спектральныеособенностивторойгармоники,отраженнойот поверхности мишениНекоторыеспецифическиеособенности,возникающиепривзаимодействииинтенсивного лазерного излучения с мишенью, могут отражаться в модификации спектравторой гармоники лазерного излучения.

К таким особенностям относятся, например, наличиерасширяющегося плазменного слоя, приводящего к доплеровскому сдвигу спектра отраженногоизлучения, генерация ионно-акустических волн в плазме, в результате взаимодействияс которыми, спектр второй гармоники уширяется и сдвигается в красную область или наличиесреды рядом с мишенью, в которой может происходить самовоздействие излучения [39, 40, 5,43]. Поэтому, в контексте данной работы, исследование спектра второй гармоники, котораягенерируется при лазерном формировании микроканала в мишени, представляет особенныйинтерес, так как может внести ясность в понимание физической картины процессов,сопутствующих формированию микроканала.В качестве предварительного исследования, были изучены спектры ВГ, генерируемой нагладкой поверхности различных твердотельных мишеней. Спектры ВГ с поверхности мишениимеют сложную структуру.

Они могут состоять из нескольких максимумов, имеющихразличные спектральные сдвиги и уширения, при этом, структура спектров зависит от типамишени и наличия окружающей атмосферы воздуха. Основная особенность заключается в том,что в случае наличия воздуха, спектры сильно сдвинуты в коротковолную область; в то времякак в вакууме спектры либо не сдвинуты (для алюминиевой мишени), либо уширеныи сдвинуты в длинноволновую область (для кварцевой мишени).

Следует отметить, что сигнал3/2ω – гармоники, которая может появляться данных экспериментальных условиях, не былзафиксирован. Это связано с тем, что спектрометр чувствителен к углу падения излучения,который в случае 3/2ω -гармоникиможет варьироваться и существенно определяетсяконтрастом лазерного излучения [33].Перейдем к подробному анализу спектральных модификаций ВГ, сгенерированной наповерхности мишени.Если мишень находится в атмосфере воздуха (Рис. 2. 6а), то в спектре наблюдается 1-2максимума, один из которых сдвинут в голубую область (величина сдвига составляет 13±2 нм),а второй, периодически возникающий в спектре, не сдвинут.

Появление несколькихкомпонентов в спектре второй гармоники может быть связано с процессами самовоздействиялазерного излучения, распространяющегося в ионизованной среде. Набег фазы в режимеплазмообразования в среде может быть оценен по формуле:57(2.1)где λ – длина волны излучения, L-длина нелинейного взаимодействия, Ne - плотностьсвободных электронов и– критическая концентрация электронов, котораясоставляет 71020 см−3 для λ=1,24 мкм.

Набег фазы β в 2π, при котором спектр излученияразбивается на несколько компонентов [1], на масштабах рэлеевской длины лазерного пучкаL≈23 мкм (это длина перетяжки лазерного излучения) достигается при концентрациисвободных электронов 4∙1019 см−3.воздух1,0вакуум1,0кварцстеклоAlреперкремний0,80,8А, о.е.0,6А, о.е.кварцстеклоAlрепер0,40,20,60,40,20,05906006106206306400,0590650600а), нм610620630640650, нмб)Рис. 2. 6. Спектры ВГ, генерируемой на поверхности различных мишеней (кварц, стекло, алюминий) а) в воздухе б) ввакууме.Серая кривая – «репер», т.е. немодифицированный спектр ВГ.В связи с тем, что сдвиг спектра второй гармоники в коротковолновую областьнаблюдается только при наличии воздуха, становится очевидным, что данная модификацияспектра обусловлена сдвигом спектра падающего импульса на основной длине волны прибыстрой ионизации воздуха его фронтом.

Столь же большие спектральные сдвиги длялазерного излучения, распространяющегося в воздухе, были получены и в [43]. Оценитьконцентрацию свободных электронов, соответствующую таким сдвигам, можно из формулы(1.9): N e 2me c 3   , где ∆ - сдвиг для основного излучения (∆≈26 нм),  - длина волныLe 2 3излучения ( в случае хром-форстеритового лазера =1,24 мкм), - длительность лазерногоимпульса (=140 фс), L - характерная длина нелинейного взаимодействия (рэлеевская длиналазерного пучка, сфокусированного объективом L 23 мкм).

Концентрация электронов в плазмевоздуха,котораябыприводилакзафиксированномусдвигу,оказываетсяравнойNe3,9·1019 см−3.Полученная концентрация свободных электронов должна заведомо достигаться в нашихэкспериментальных условиях: при пиковой интенсивности лазерного импульса 10 16 Вт/см2,58распространяющегося в воздухе, достигаются электронные плотности вплоть до Ne≈31020 см−3[197], что практически соответствует полной ионизации воздуха (Ne≈3,61020 см−3).В случае, если мишень находится в вакууме, наблюдаются спектральные модификациииного типа. Спектр ВГ от диэлектрической мишени (стекло, плавленый кварц) и кремниясостоит из 2-3 компонентов (Рис. 2.

6б), один из которых находится на реперной длине волны, аостальные сдвинуты в красноволновую область и уширены. В работе [35] было такжезафиксировано появление уширенного и сдвинутого в длинноволновую область спектральногокомпонента ВГ, генерируемой при воздействии на поверхность стеклянной мишени,находящейся1016 Вт/см2.вВвакууме,фемтосекунднымиэкспериментах,описываемыхлазернымиимпульсамивдиссертационнойданнойинтенсивностьюработе,усильносмещенного пика, как правило, наблюдается уширение – FWHM (Full Width HalfMaximum – ширина на полувысоте) ≈13 нм, в то время как ширина реперного сигнала ВГ,полученного в результате удвоения частоты основного излучения в кристалле LBO, около 6 нм.Величины сдвигов спектральных компонентов ВГ в красноволновую область составляют 10-20нм. Если эти сдвиги обусловлены взаимодействием лазерного излучения с ионно-акустическойволной в плазме, инициированной параметрической распадной неустойчивостью, то им будетсоответствовать частота ионно-акустической волны (формула 1.8)()Гц.

Этопревышает частоту ионно-акустической волны, оцененной по красноволновому сдвигу спектраВГ в [5], которая составилаГц. Следует отметить, что сдвиг спектра ВГ вкрасноволновую область, наблюдался ранее для импульсов с большей длительностью (порядканано- и пикосекунд). Наличие этого компонента связывается с тем, что в области критическойплотности плазмы появляетсяпараметрическая распадная неустойчивость падающеголазерного излучения [33, 35, 198], которая может возникать также и в случае резонансногопоглощения энергии фс-импульса [35]. Вторая гармоника, отраженная от поверхностиалюминиевой мишени, имеет в спектре только один несдвинутый и неуширенный пик (Рис.