Диссертация (1102719), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Эксперименты проводились при различномконтрасте лазерного излучения – «низком» и «высоком». Первому случаю соответствуетнаносекундный контраст не хуже 105 и пикосекундный - 2∙102, а второму - наносекундныйконтраст 5·106, пикосекундный контраст 106 (предымпульс опережает основной лазерный71импульс на 25 пс) [192]. Параметр качества лазерного пучка был M2≈1,6.
Длительностьимпульса титан-сапфирового лазера могла изменяться в пределах 60-1000 фс за счет смещениядифракционных решеток компрессора с возможностьюизменения знака чирпированиялазерного импульса. Использовались лазерные импульсы как с отрицательным, так иположительным чирпом. Энергия лазерного излучения ограничивалась 5 мДж в связи с тем, чтопри большей энергии на нашей базе (расстояние от компрессора до вакуумной камеры 5,5 м) ипосле прохождения через кварцевые элементы (фокусирующую линзу и входное окновакуумной камеры, суммарная толщина которых 1 см), начиналось самовоздействие лазерногоизлучения, что будет подробнее описано в §3.2.Лазерное излучение фокусировалась в газокластернную струю на 1,5±0,5 мм ниже срезасопла, при этом использовались линзы с фокусными расстояниями F=10 см и F=20 см(соответственно, f/d=10 и 20). Из оценок (⁄[191]) следует, что для падающегопучка диаметром d0=1 см, и линз F=10 см и F=20 см, диаметр перетяжки составляет около8 мкм и 16 мкм, рэлеевская длина около 30 мкм и 120 мкм, при этом, вакуумная интенсивностьдостигалапримерно1017 Вт/см2 и 3∙1016 Вт/см2.
При использовании в экспериментахчирпированных импульсов длительностью 300 фс при постоянной энергии 5 мДж,интенсивность лазерного излучения в перетяжке снижалась до 3∙10 16 Вт/см2 и 8∙1015 Вт/см2соответственно.Схема экспериментальной установки показана на Рис. 3. 2.Рис. 3. 2. Схема экспериментальной установки по измерению выхода рентгеновского излучения, его спектра, свеченияплазменного филамента и диагностики кластерного пучка с помощью ПЭП.72Измерение энергии лазерного излучения и контроль ее поглощения при взаимодействиис кластерной наноплазмой, осуществлялся с помощью оптико-акустического преобразователя(ОАП) с чувствительностью 30,9 В/Дж, любезно предоставленного научной группой подруководством проф.
А.А. Карабутова. Для измерения спектра лазерного излучения,провзаимодействовавшего с газокластерной струей, за выходным кварцевым окном вакуумнойкамерыустанавливалсяволоконныйспектрометрSolarTIIтипаSL40-2-3648USB,регистрирующий спектр в диапазоне 240-1100 нм со спектральным разрешением 1,5 нм ивременем экспозиции ≥10 мс.
Между выходным окном вакуумной камеры и спектрометромустанавливалась собирающая линза (F=10 см) и перед ее фокусом – несколько слоев матовоголавсана, рассеивающего излучение.Линза использовалась для того, чтобы обеспечитьинтегральную регистрацию спектра как с периферийной, так и с приосевой области лазерногоизлучения.Также,проводиласьрегистрациясвеченияплазмы(плазменногофиламента),образованной при распространении лазерного импульса в газокластерной струе.
Для этого,сбоку от газокластерной струи устанавливался цифровой фотоаппарат (ПЗС-камера и линза насхеме). В экспериментах использовался фотоаппарат canon 350D и объектив 24-70mm/2.8 или50mm/1.8.Для измерения интегрального выхода рентгеновского излучения использовалсярентгеновский ФЭУ, снабженный сцинтиллятором NaJ и бериллиевым фильтром толщиной90 мкм. ФЭУ устанавливался либо на место рентгеновского спектрометра, либо сбоку отгазокластерной струи (так, что расстояние от оси сопла до входного окна ФЭУ 12 см, при этом,3 см из них воздух), в зависимости от условий эксперимента. С помощью этого ФЭУоценивался интегральный выход рентгеновского излучения кластерной наноплазмы вдиапазоне более 2 кэВ.
Регистрация рентгеновских спектров осуществлялась с помощью Si-pinдетектора Amptek, описанного в главе 2. Спектрометр располагался в направлениираспространении излучения на расстоянии 40-60 см от оси газокластерной струи, на выходевакуумной камеры, где вместо кварцевого окна, устанавливалась бериллиевая фольга толщиной250 мкм.В экспериментальной установке была также предусмотрена возможность измерениясигнала третьей гармоники фемтосекундного лазерного излучения(ГТГ). Для реализациивозможности измерения сигнала ГТГ схема экспериментов модифицировалась (Рис. 3.
3).73Рис. 3. 3. Модифицированная схема эксперимента с возможностью измерения сигнала третьей гармоники, генерируемой привзаимодействии лазерного излучения с кластерной струёй.За выходным кварцевым окном вакуумной камеры устанавливалась линза с фокальнымрасстоянием F=40 см, коллимирующая пучок, который попадал на вогнутую дифракционнуюрешетку с радиусом кривизны 100 см. Решетка была установлена под углом 350 к падающемуизлучению и осуществляла спектральную селекцию и фокусировку третьей гармоникиизлучения. Вакуумный фокус и щелевая диафрагма располагались на круге Роуланда.Регистрация излучения третьей гармоники в первом порядке дифракции производилась спомощью ФЭК-22 СПУ.
Излучение на основной длине волны дополнительно блокировалосьирисовой диафрагмой, двумя кварцевыми зеркалами с напылением на 800 нм и фильтромУФС-5. Юстировка коллимирующей линзы и положения дифракционной решетки проводиласьна третьей гармонике, генерируемой излучением в разряженном воздухе (давлением 70 Торр),который напускался в вакуумную камеру.Для того, чтобы детектировать развитие процесса кластеризации газа, а также,впоследствии, для сравнения особенностей процесса кластеризации в различных средах, былазадействована дополнительная экспериментальная установка, находящаяся в лабораториимолекулярныхпучков(химическийфакультетМГУ)подруководствомпрофессораД.Н.
Трубникова. Диагностика была основана на методе регистрации зависимости амплитудысигнала релеевского рассеяния излучения в газокластерной струе от давления газа.Экспериментальная установка включала в себя аналогичные вышеописанным сопло и блок74управления им, рабочий «вакуум» обеспечивался до 1,6∙10−6 мБар системой Bruker, а в качествезондирующего излучения использовалась вторая гармоника твердотельного Nd:YAG лазер LQ529 (длина волны 1,064 мкм, длительность импульса 12 нс).
Для синхронизации времениприхода лазерного импульса и момента открытия клапана сопла, при помощи генератораимпульсов Г5-54 устанавливалась необходимая задержка. Регистрация рэлеевского сигналапроводилась под углом 90° к направлению распространения зондирующего излучения спомощью ФЭУ с диаметром входного окна 30 мм. Для того чтобы ФЭУ находился в линейномрежиме, интенсивность рассеяного сигнала ослаблялась щелевой диафрагмой шириной0,12±0,02 мм. Для минимизации шумового фона, возникающего из-за перерассеяния излученияот различных оптических элементов, перед фокусирующей линзой (f=20 см) была установленадиафрагма диаметром 3 мм, а выходное окно вакуумной камеры в направлениираспространения лазерного импульса было установлено под углом Брюстера.§3.2 Характеризация лазерного излучения, используемого в экспериментах:ограничение по энергии и измерение длительности чирпированныхимпульсовДлительность лазерного импульса в зависимости от смещения дифракционных решетокоценивалась исходя из измерения автокорреляционной функции второго порядка, получаемойпринеколлинеарнойгенерациивторойгармоники(ГВГ)исходногоизлучения.Автокорреляционная функция интенсивности (второго порядка), записывается в виде [203]:G 2 ( ) I (t ) I (t )dt(3.1)где I(t) - функция интенсивности излучения, падающего на нелинейный кристалл, отвремени, - задержка по времени одного импульса относительно другого.
Ширина профиляполученной автокорреляционной функции для гауссого пучка будет в √раз большедлительности лазерного импульса [203].Экспериментальная схема для измерения автокорреляционной функции показана на Рис.3. 4.Из падающего лазерного пучка диафрагмой вырезалась центральная часть диаметром5 мм. Это составляет по грубым оценкам ~20% от падающей энергии. Экспериментыпроводились при энергии лазерного импульса 600 мкДж, т.о.
энергия лазерного импульса последиафрагмы составляла около 120 мкДж. С помощью делительной пластинки пучок делился надве части, которые после прохождения одинаковых оптических путей, сводились с помощью75линзы в кристалле KDP толщиной 1 мм. После отражения от делительных пластинок, энергияпучков, взаимодействующих в кристалле, была 3-5 мкДж.Рис. 3.
4. Схема неколлинеарной генерации второй гармоники для измерения длительности лазерного импульса. На врезке –пример получаемой корреляционной функции.Кристалл устанавливался на расстоянии 24 см от фокусирующей линзы (ее фокусноерасстояние 30 см), так что диаметр пучков на нем оказывался ≈1 мм.При таком диаметре, интенсивность лазерного излучения, падающего на кристаллсоставляет около 1 ГВт/см2. Такая величина существенно ниже той, при которой можноожидать возникновение самовоздействия излучения в кристалле. О наличии самовоздействияизлучения свидетельствует набег фазы лазерного импульса, который может быть оценен поформуле(3.2)где n2 – нелинейный показатель преломления среды (для кристалла KDP 3∙10 −16 см2/Вт [204]),z- расстояние, пройденное импульсом, I-интенсивность импульса. Интенсивность лазерногоимпульса, при которой набег фаз становится существенным, по оценке, составляет1 ТВт/см2.Из экспериментальных работ известно, что самовоздействие фемтосекундного излучения вкристалле KDP происходит уже при интенсивностях 100 ГВт/см2 [205].После кристалла сигнал неколлинеарной ВГ измерялся с помощью фотоэлементакоаксиального ФЭК 22СПУ, и визуализировался на цифровом осциллографе TektronixTDS1012.Перед ФЭК уставливалось зеркало, отражающее компонент на основной длиневолны, фильтр НС-3 (коэфф.
пропускания для 400 нм – около 10%) и диафрагма, отрезающаяколлинеарные гармоники.76В экспериментальной схеме использовалось большое количество кварцевых элементов(делительные пластинки, призма, линза), длительность лазерных импульсов менялась в связи сдисперсионным расплыванием. Длительность импульса прошедшего через среду τ равна [1]:(где((3.3)) )- начальная длительность импульса, l – длина среды. С учетом того, что для длины волны800 нм в кварце⁄[206], дисперсионное расплывание импульсовдлительностью более 100 фс в нашем случае (суммарная толщина кварцевых элементов в томплече, где их больше – 8 см) несущественно: 50 фс-импульс расплывается до 80 фс, а 100-фсимпульс – до 104 фс.В результате были получены автокорреляционные функции второго порядка дляразличных знаков чирпирования лазерного импульса и смещений дифракционных решетоккомпрессора и построена калибровочная кривая длительности лазерного импульса взависимости от относительного смещения дифракционной решетки, показанная на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
