Диссертация (1102719), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Показано, что добавление в используемую смесь(CF2Cl2-Ar) третьего компонента - легкого газа гелия, позволяет управлять относительнойинтенсивностью характеристических рентгеновских линий аргона и хлора, т.е. варьироватьконцентрацию атомов в смешанных кластерах.14Глава 1. Взаимодействие интенсивного (I>1015 Вт/см2) фемтосекундноголазерного излучения с твердотельными и кластерными мишенямиВ данной главе приведен обзор литературы по проблеме взаимодействия интенсивногофемтосекундного лазерного излучения с твердотельными мишенями. Описаны процессыабляции мишени, генерации высокотемпературной плазмы, рентгеновского излучения и второйгармоники лазерного излучения. Обсуждаются возможные причины различных спектральныхмодификаций второй гармоники илазерного излучения на основной длине волны.Описывается физическая картина, возникающая при импульсно-периодическом лазерномвоздействии на одну точку мишени, когда в ней формируется глубокий канал; затрагиваетсяпроблема формирования микро- и нано- частиц при абляции и возникновения взвеси внутриканала мишени.§1.1 Взаимодействие интенсивного фемтосекундного лазерного излучения ствердотельными мишенями1.1.1 Генерация плазмы при воздействии на поверхность твердотельных мишенейинтенсивным фемтосекундным лазерным излучениемПри воздействии интенсивного (I=1015-1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерногоимпульса на поверхность твердотельной мишени, генерируется высокотемпературная плазма сэлектроннойплотностьюпорядкаивышетвердотельнойNe~1023см−3[18,19].Принципиальным при этом оказывается то обстоятельство, что в идеализированном случаебесконечного контраста лазерного излучения (отсутствия предымпульсов), в масштабедлительности фемтосекундного лазерного импульса разлётом плазмы можно практическипренебречь.
Так, при температуре плазмы T≈300 эВ скорость разлёта vр≈1 Å/фс [19], поэтомуформирующийся в приповерхностном слое мишени слой лазерной плазмы сохраняет свойхарактерный размер 500-600 Å в течение всего импульса неизменным.Генерация плазмы с концентрацией свободных электронов Ne~1024 см−3 и многократноионизованными холодными ионами происходит уже на фронте фемтосекундного лазерногоимпульса за времена порядка ≈3-10 фс за счет процессов туннельной и многофотоннойионизации. Дальнейшее поглощение лазерной энергии осуществляется за счет классическихстолкновительных механизмов, которые дополняются бесстолкновительными при достиженииинтенсивностей лазерного излучения ~1016 Вт/см2. Переход от столкновительных механизмовпоглощения лазерной энергии к бесстолкновительным определяется соотношением толщины15скин-слоя, длины свободного пробега электрона и расстоянием, проходимым электроном запериод световой волны.В столкновительной плазме поглощение энергии лазерного импульса происходит втолщине скин-слоя за счет обратнотормозного механизма поглощения.
Средняя температуратепловых электронов такой плазмы в приближении холодных ионов и при пренебрежениипотерями энергии на ионизацию может быть оценена по формуле [20]:⁄где⁄[](1.1)– длительность лазерного импульса в единицах 100 фс, I- интенсивность лазерногоизлучения в единицах 1016 Вт/см2.
Из этой формулы следует, что для лазерного импульсадлительностью 100 фс при изменении интенсивности от 1015 до 1016 Вт/см2 температуратепловой электронной компоненты плазмы изменяется от 250 эВ до 700 эВ.При этом, с увеличением интенсивности лазерного излучения возрастают связанные стемпературой электронов длина их свободного пробега(1.2)и расстояние, пройденное тепловыми электронами за период светового поля√Здесь(1.3)– кулоновский логарифм (типичное значение - 2÷5);плотность электронов,- заряд, масса и– частота лазерного излучения.Толщина скин-слояпри увеличении интенсивности падает:(где c – скорость света в вакууме,)⁄(1.4)⁄√– плазменная частота,лазерного излучения на поверхность мишени,√⁄– угол падения- эффективная частотаэлектрон-ионных столкновений.Для интенсивности лазерного излучения 1015 Вт/см2, толщина скин-слояпревышает длину свободного пробега(≈2 нм). Но уже при интенсивностях(≈20 нм)(≈0,1 нм) и расстояние, пройденное за период поля1016 Вт/см2, условия нормального скин-эффектанарушаются, т.е.
реализуется аномальный скин-эффект:нм,нм инм. Этоприводит к появлению новых, бесстолкновительных механизмов поглощения энергиифемтосекундного лазерного излучения плазмой.16Режим аномального скин-эффекта, резонансное поглощение [21] и вакуумный нагрев[22, 23] являются бесстолкновительными режимами поглощения лазерной энергии плазмой.Преобладание того или иного механизма определяется пространственным масштабом) [23]: при⁄градиента электронной плотности(аномальный скин-эффект, при ⁄- вакуумный нагрев, а при ⁄основную роль играетнаибольшую рольиграет резонансное поглощение на размытой границе “мишень-вакуум”.
Градиент электроннойплотности плазмы сильно зависит от контраста лазерного импульса, т.е. от наличияпредымпульсов, которые могут до прихода основного импульса создать плазму на поверхностимишени. Как правило, при генерации фемтосекундных лазерных импульсов, наиболееинтенсивные предымпульсы могут опережать основной импульс на времена порядка единиц идесятков пикосекунд а также порядка десяти наносекунд [24, 25].Бесстолкновительныемеханизмыпоглощениялазернойэнергииприводяткформированию в плазме так называемых горячих электронов, энергия которых превосходитэнергию тепловых электронов Te на порядок и может содержать до 10% от энергии греющеголазерного излучения [26].
При аномальном скин-эффекте средняя энергия горячегоэлектронного компонента плазмы (т.н. «температура»()⁄[].горячих электронов) [26]:(1.5)Сходная зависимость наблюдается и для вакуумного нагрева, который происходит засчет осцилляций электрона вблизи резкой границы плазма-вакуум.
В случае резонансногопоглощения, происходящего в силу квазирезонансного возрастания амплитуды локальногоэлектромагнитного поля в области возбуждения продольных электромагнитных волн в плазме,зависимость меняется [23]:()⁄[](1.6)В обеих зависимостях интенсивность I выражена в 1016 Вт/см2, а длина волныв мкм.Таким образом, характер зависимости температуры горячих электронов от интенсивностивоздействующего лазерного излучения может быть использован для определения механизмапоглощения лазерной энергии.1.1.2 Нелинейно-оптическое взаимодействие фемтосекундного интенсивноголазерного излучения с твердотельными мишенями: генерация рентгеновскогоизлучения и второй гармоникиГорячие электроны при распространении вглубь мишени инициируют генерациюрентгеновского излучения (как тормозного, так и характеристического) [23] ультракороткой17длительности (от 100 фс до 1 пс), как правило, соответствующей длительности лазерногоимпульса [27].
Интегральный выходжесткого рентгеновского излучения (суммытормозной и характеристической компонентов) из фемтосекундной лазерной плазмытвердотельной мишени является нелинейной функцией температуры горячих электронов иатомного номера вещества мишени Z [28, 29]:() ()(1.7)где коэффициент для тормозного жесткого рентгеновского излучения принимает значения от1,8 (E>2,5 кэВ) до 3,4 (E>13 кэВ) [28], а в случае характеристического рентгеновскогоизлучения 1,7 и 1,8 для энергий квантов E≈8 кэВ и E≈9 кэВ линий Cu и Ni соответственно [29].Коэффициент β принимает значения1÷1,5 [30] для тормозного излучения и β=–1.67 дляK-характеристического излучения [31].Характерные величины эффективности преобразования фемтосекундного лазерногоизлучения (I~1016 Вт/см2) в жесткое тормозное рентгеновское излучение для плазмы, например,Ga, составляют порядка 10−6-10−5 при энергиях квантов E>2,5 и E>7,5 кэВ соответственно [32].Эффективностьпреобразованияэнергиифемтосекундноголазерногоизлучения(I~1016−1017 Вт/см2) в энергию характеристических линий Cu и Ni достигала максимальныхзначений ~10−5 [29].К процессам, сопутствующим возникновению фемтосекундной лазерной плазмы,относится также генерация второй, 3/2-гармоники и более высоких оптических гармониклазерного излучения.
Генерация 3/2ω –гармоники инициируется в области плазмы сплотностью электронов Ne близкой к четверти критической:⁄[33]. Генерация второйгармоники (ГВГ) является следствием нелинейного взаимодействия лазерного излучения сэлектронными колебаниями, возбуждаемыми в плазме [34] в области критической плотностиэлектронов, когда частота плазменных волн близка к частоте воздействующего излучения.Вторая гармоника (ВГ) излучается в направлении зеркального отражения основного излучения(это следует из сохранения компоненты волнового вектора, параллельного поверхности) идолжна быть p-поляризованной (в отсутствии плазменных нестабильностей и возмущений) [35].Эффективность такого преобразования во вторую гармонику высока, не зависит от соблюденияусловий синхронизма и для металлов при интенсивности лазерного излучения I~1016 Вт/см2будет определяться коэффициентом вклада свободных электронов (~10−20 см2/Вт) [35] исоставлять ~10−4 [6].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
