Диссертация (1102719), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

2.6б). Эффект наличия красноволнового сдвига в случае диэлектрической мишени (кварца) и егоотсутствия для металлической (алюминия) не был исследован детально.Отсутствие спектрального сдвига в голубую область свидетельствует о маломдоплеровском смещении спектра на разлетающейся плазме, а также об отсутствиисамовоздействия лазерного излучения перед мишенью. Самоздействие может возникать воблаке аблированного предымпульсом вещества мишени.

Лазерное излучение, использованноев экспериментах, имеет предымпульс на масштабе 8 нс, контраст которого ≈300. В результатевоздействия предымпульса на поверхность мишени будет происходить абляция материаламишени и возникнет разлетающееся облако частиц, при прохождении через которое может59модифицироваться основной лазерный импульс. Можно оценить среднюю плотность частицтакого облака.Диаметр аблированного кратера на поверхности мишенифокального пятна излучения√, гдепропорционален диаметруи зависит от плотности энергии лазерного излучениякак-пороговая плотность энергии [81]. Пороговая плотность энергииабляции фемтосекундным лазерным импульсом для алюминия Jth=0,1 Дж/см2 [77], а для кварцаJth=2 Дж/см2 [75].

При плотности энергии предымпульса в нашем экспериментеи, диаметр кратера для алюминия составляет, а для кварца, при этом глубина абляции в случае алюминия l≈0,5 мкм [199], а в случае кварцаl≈0,3 мкм [200] (оценку глубины абляции по известной формуле 1.10 производить уже нельзя,т.к. порог абляции сильно превышен и рассчитанная величина на порядок меньше реальной:так, для алюминия l≈12 нм). Из анализа результатов работы [81] следует, что наиболее точнойаппроксимацией количества выносимого вещества будет являться оценка объема конуса вмишени с диаметром основания и высотой равными диаметру и глубине аблированногократера. Таким образом, аблируется 4,9 мкм3 алюминия и 2,3 мкм3 кварца, что соответствуетвыносимым массам в 13 пг и 5 пг. В свою очередь это соответствует числу частиц – 2,9∙1011 и0,5∙1011.

При скорости разлета частиц 106 см/с [103, 104] за время 10 нс, плазменное облакоуспеет распространиться на 100 мкм. В предположении, что плазменное облако являетсяполусферой (тогда его объемравномерно, плотность аблированных частиц) и частицы в нем распределенысоставит, для алюминия и кварца1,5∙1017 см−3 и 2,5∙1016 см−3. Минимальный спектральный сдвиг ВГ, который может бытьобнаружен в наших экспериментах определяется погрешностью спектрометра ∆≈2 нм исоответствует электронной плотности Ne≈5,71018 см−3 (при длине взаимодействия 23 мкм),которая, по-видимому, не достигается при ионизации основным лазерным импульсомразлетающегося облака.Таким образом, наличие газовой среды в зоне перетяжки лазерного излучения приводитк существенному сдвигу спектра второй гармоники в коротковолновую область привоздействии на гладкую поверхность твердотельной мишени.

Доплеровский сдвиг нарасширяющемся слое плазмы пренебрежимо мал, мало и самовоздействие излучения вразлетающемся веществе мишени, испаренным предымпульсом.60§2.4 Спектральные особенности второй гармоники, отраженной измикроканала в мишениПосле детального изучения спектров ВГ, генерируемой на поверхности твердотельноймишени, было проведено исследование спектра ВГ, отраженной из микроканала в мишени.Было установлено, что при формировании в мишени фс-лазерными импульсами глубокогомикроканала, спектр ВГ, отраженной из такого микроканала, сильно сдвинут в голубую областьвне зависимости от типа мишени и того, находится она в вакууме или в воздухе. Кроме этого, вспектре может присутствовать несколько компонентов, один из которых находится на основнойдлине волны.

Сдвиги в голубую область составляли от 5 до 30 нм в случае алюминиевой икварцевой мишеней. На отдельных материалах были зарегистрированы гигантские сдвиги вголубую область – до 60 нм на CaF2.Была изучена общая динамика сдвигов спектра ВГ, в зависимости от номеравоздействующего лазерного импульса, т.е. в зависимости от глубины микроканала. По мереформирования микроканала в мишени, сдвиг спектра ВГ в голубую область, как правило,увеличивается.

На Рис. 2. 7 показаны спектры ВГ из микроканала алюминиевой и кварцевоймишеней, находящихся в вакууме, для разных номеров воздействующих лазерных импульсов(номер лазерного импульса определяется с ошибкой ±1).251,03ref0,811371119репер30,80,60,60,40,20,05907 191,0А, о.е.А, о.е.11132560репер10,40,2600610620, нм630640650а)0,0580590600610620, нм630640650б)Рис.

2. 7. Спектр ВГ из микроканала кварцевой (а) и алюминиевой (б) мишеней, находящихся в вакууме. Цифрой указан номерлазерного импульса (Е≈480 мкДж), которому соответствует спектр. «Репер» – немодифицированный спектр ВГ.Как в вакууме, так и в воздухе наблюдалась приблизительно одинаковая зависимостьсдвига спектра ВГ из микроканала алюминиевой или кварцевой мишени от номера лазерноговыстрела.

В результате обработки полученных спектров, получены графики зависимостиположения максимумов в спектре ВГ от номера лазерного импульса для алюминиевойи кварцевой мишеней, находящихся в вакууме и воздухе (Рис. 2. 8). Статистика для кварцевоймишени получена для 30-40 реализаций (т.е. было сформировано около 30 микроканалов); для61алюминиевой – около 10 реализаций. На графиках для наглядности точками отмеченыположения максимумов в спектре второй гармоники для каждого лазерного импульса.Несдвинутый компонент не отражен на рисунках, так как не несет существенной информации.Кроме того, он может «микшироваться» свечения плазмы воздуха и плазмы мишени.Построенные кривые являются результатом усреднения совокупности точек по каждомулазерному импульсу.Было обнаружено, что по мере формирования микроканала, сдвиг спектра ВГ в голубуюобласть увеличивается, приблизительно с 10 до 20-30 нм (Рис.

2. 8).6256206156106056005955905855800 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22N625620615610605600595590585580а)0468 10 12 14 16 18 20 22625615615610610605605, нм620620600б)кварц, воздух6005955955902Nкварц, вакуум625, нмAl, воздух, нм, нмAl, вакуум0102030 40N506070590в)010203040N506070г)Рис. 2. 8.

Динамика сдвига спектров ВГ, генерируемой в микроканале алюминиевой (а,б) и кварцевой (в,г) мишеней в вакууме(а, в) и в воздухе (б, г). N – номер лазерного импульса (Е≈480 мкДж).В случае алюминиевой мишени, максимум сдвига наблюдается в районе девятого иседьмого лазерного импульса для вакуума и воздуха соответственно. Можно оценить глубинумикроканала, которая соответствует таким номерам лазерных импульсов. Для этого нами былпроведен эксперимент, в котором фиксировался момент перфорации (количество лазерныхимпульсов N) алюминиевой фольги толщиной h=50 мкм, для того чтобы оценить линейную(среднюю) скорость абляции.

В результате, линейная скорость абляции составила5±1 мкм и 3,8±0,5 мкм за лазерный импульс, в случае фольги, находящейся в вакууме и воздухе62соответственно. Таким образом, максимум сдвига второй гармоники соответствует глубинемикроканала ≈45 мкм в вакууме и ≈30 мкм в воздухе.Голубой сдвиг спектра ВГ, отраженной из микроканала мишени, может быть обусловлентем, что внутри облака нарабатывается медленно оседающая взвесь, при прохождении черезкоторую происходит модификация спектра проходящего лазерного излучения. Для проверкиэтого предположения были измерены спектры воздействующего лазерного излучения,рассеянного из микроканала (Рис. 2.

9).625620620615615610610нмнмAl, вакуум6256056005955955900246810 12 14 16 18 20 220615615610610, нм.620605600595595203084050607010 12 14 16 18 20 22б)кварц, воздух60560010662562004Nкварц, вакуум6255902а)N, нм.605600590Al, воздух590в)010203040506070г)Рис. 2. 9. Динамика сдвига спектра лазерного излучения (на основной длине волны), отраженного из микроканалаалюминиевой (а,б) и кварцевой (в,г) мишеней, находящихся в вакууме (а, в) и в воздухе (б, г). N – номер лазерного импульса(Е≈600 мкДж).На Рис.

2. 9 длины волн соответствуют второй гармонике, т.к. перед спектрометромустанавливался нелинейный кристалл LBO для преобразования основного излучения в еговторую гармонику, потому что длина волны основного излучения (1240 нм) лежит внедиапазона чувствительности спектрометра. На рисунках не отражен несдвинутый спектральныйкомпонент, который возникает, вероятно, в результате нелинейного преобразования вкристалле LBO периферийных областей лазерного излучения, рассеянных назад от мишени.63Из Рис.

2. 9 видно, что модификации спектра основного лазерного излучения,отраженного из микроканала, соответствуют модификациям спектра ВГ. Это подтверждаетфакт того, что ГВГ происходит от уже модифицированного лазерного излучения с голубымспектральным сдвигом.Опираясь на формулу 1.9, можно оценить плотность электронов, возникающих приионизациивзвесик зарегистрированнымвнутримикроканаласпектральнымсдвигам.лазернымимпульсом,Длянеобходимоэтогоприводящуюзнатьдлинуэффективного взаимодействия лазерного импульса с этой взвесью. Очевидно, что если бывзвесь была распределена по всей глубине микроканала, то с ростом глубины микроканала,увеличивался бы и голубой сдвиг спектра ГВГ и основного излучения.

Рост глубинымикроканала в данном случае может ассоциироваться с номером лазерного импульса,т.к. приведенные зависимости на Рис. 2. 8 и Рис. 2. 9 снимались при ненулевом выходерентгеновского излучения, иначе говоря, когда лазерная энергия «вкладывалась» эффективно вмишень и микроканал продолжал расти от импульса к импульсу. Темне менее, явноеувеличение голубого сдвига с ростом глубины микроканала наблюдается только для случаякварцевой мишени, находящейся в воздухе.

Во всех остальных случаях голубой сдвиг либоимеет максимум, либо выходит на насыщение. Это свидетельствует о том, что длинаэффективноговзаимодействиялазерногоизлученияснаработаннымвеществомне пропорциональна глубине микроканала. Вероятно, взвесь распределена не по всей глубинемикроканала, а сосредоточена вблизи его входного отверстия (Рис.

2. 10).Рис. 2. 10. Модельное представление процесса взаимодействия лазерного излучения с мишенью в режиме формированиямикроканала.Это предположение подтверждается тем, что в случае неглубокого микроканала(алюминиевая мишень) в вакууме (Рис. 2. 8а), голубой сдвиг после достижения экстремумауменьшается – очевидно, при снижении эффективности взаимодействия излучения с64веществом, взвесь вблизи поверхности не успевает обогащаться новыми продуктами абляции иразлетается в вакуум. Этот эффект выражен меньше, в случае если мишень находится в воздухе(атмосфера задерживает взвесь внутри микроканала) или для случая формирования болееглубоких микроканалов в мишени из плавленого кварца. Предположение о локализации взвесивблизи входного отверстия микроканала подтверждается и результатами работы [112], где былозарегистрировано осаждение частиц на стенках микроканала. В этой работе было показано, чтораспространение продуктов абляции внутри микроканала зависит от давления газа, в которомнаходится мишень.Если предположить, что эффективное взаимодействие лазерного излучения со взвесьюпроисходит на масштабах длины перетяжки лазерного пучка (2Zr=46 мкм), то плотностьэлектронов такого облака (формула 1.9), после его ионизации основным лазерным импульсом,будет составлять Ne4∙1019 см−3 для сдвигов ∆≈25 нм (которые наблюдались для алюминиевойи кварцевой мишени) и Ne1020 см−3 для ∆≈60 нм (которые наблюдались для мишени CaF2).Большая электронная плотность в последнем случае может быть связана с тем, что атомыкальция имеют больший атомный номер Z (20) по сравнению с атомами алюминия и кремния(13 и 14 соответственно).Взвесь внутри микроканала может «нарабатываться» как и предыдущими лазернымиимпульсами, так и предымпульсом, т.к.

Характеристики

Список файлов диссертации