Диссертация (1102719), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При этом, интенсивность сигнала второй гармоникинелинейно от интенсивности лазерного излучения I:зависит. Эта зависимость близка кквадратичной: показатель степени γ принимает значения от 1,5-1,7 [36] до 2,4 [37] и 2,6 [35].18Можно заметить, что данная зависимость напоминает зависимость выхода рентгеновскогоизлучения от интенсивности лазерного излучения (формула 1.7). Поэтому, при увеличенииинтенсивности воздействующего на мишень лазерного излучения, при одновременнойрегистрации сигналов ВГ ирентгеновского излучения, динамики обоих сигналов должныкоррелировать.Спектр ВГ, образующейся в результате лазерно-плазменного взаимодействия, долженсоответствовать спектру падающего излучения, т.е. центральная его частота равнятьсяудвоенной частоте падающего излучения. В реальности спектр ВГ модифицируется, в томчисле и в силу особенностей динамики плазмы. В случае возникновения параметрическихраспадных неустойчивостей в плазме, в спектре появляются дополнительные компоненты,имеющие уширение и сдвиг в красноволновую область, соответствующий частоте колебанийионных акустических волн [5].
Частота излучения ВГакустической волныкак [38]:(гдебудет определяться частотой ионно-)(1.8)- частота воздействующего лазерного излучения. Для сдвига спектра второй гармоникиΔλ≈10 нм и основной длины волны λ=1,24 мкм, соответствующая частота ионно-акустическойволны будет Ω≈3∙1013 с−1. Явление красноволнового сдвига спектра ВГ было подробно описанов обзоре [34] для лазерного излучения наносекундной и пикосекундной длительности. Сходныемодификации спектра ВГ наблюдаются и в случае фемтосекундных лазерных импульсов приреализации процесса резонансного поглощения энергии [35].Появление модификаций спектра второй гармоники может быть связано и с тем, чтопредварительно был модифицирован спектр основного лазерного излучения. Наиболеераспространенным и хорошо изученным механизмом, приводящим к сдвигу спектра излучения,является доплеровский сдвиг, возникающий при отражении излучения от движущейсяповерхности плазмы с критической плотностью.
Если плазма расширяется навстречу лазерномуизлучению, то наблюдается сдвиг его спектра в голубую область, который составляет до 0,5 нмпри интенсивностях воздействующего излучения от 1015 Вт/см2 и вплоть до 1017 Вт/см2 [39, 40,41]. При релятивистских интенсивностях (1019 Вт/см2), напротив, наблюдается доплеровскийсдвиг в красноволновую область, из-за движения плазмы внутрь мишени под действиемсветового давления [42].Если интенсивный лазерный импульс распространяется в газовой среде, то измененияпоказателя преломления, происходящие из-за ионизации газа или последующей рекомбинацииобразованной плазмы, будут тоже приводить к модификациям спектра излучения.
Так, [43], былзарегистрирован голубой сдвиг более 11 нм при интенсивности фс-лазерного излучения191016 Вт/см2, распространяющегося в воздухе. Сдвиг спектра лазерного излучения соответствуетизменению концентрации свободных электроновкак [43]:(1.9)где ∆ - сдвиг для основного излучения, me, e – масса и заряд электрона, с – скорость света ввакууме, - длина волны излучения, L - характерная длина нелинейного взаимодействия.Поэтому, в [43] , сдвигу 11 нм, длительности лазерного импульса 100 фс, при центральной егочастоте 626 нм, длине взаимодействия 100 мкм и интенсивности I≈1016 Вт/см2 соответствуетэлектронная плотностьсм−3.В теоретических работах [44, 45, 46] было показано, а в экспериментальных [47, 48]подтверждено, что при распространении лазерных импульсов субпикосекундной длительностис интенсивностью 1016 Вт/см2 в различных газах (с давлением не менее атмосферного), ихспектр будет не только сдвигаться в голубую область (сдвиги вплоть до 40 нм), но иразбиваться на несколько компонентов.
В случае, если мишень находится в вакууме, то сходнаяситуация будет реализовываться при «плохом» (низком) контрасте лазерного импульса:самовоздействие излучения будет происходить в разлетающемся «облаке» аблированныхчастиц мишени, инициированном предымпульсом. В [37] было показано, что спектр ГВГсильно уширяется и разбивается на много компонентов при низком контрасте лазерногоизлучения (~10−4, интенсивность основного импульса 1015 Вт/см2).Появление в спектре ВГ голубых сдвигов, более чем на порядок превышающихдоплеровские при фемтосекундном лазерном воздействии на твердые мишени, былозарегистрировано в [49] и [33]. В [49] сдвиги спектра ВГ более 5 нм наблюдались при малыхуглах падения воздействующего лазерного импульса на алюминиевую мишень и резкойгранице плазма-вакуум (L<<λ) и интенсивностях не менее 5∙1016 Вт/см2, что связывалось среализацией механизма аномального скин-эффекта, при котором нелинейные колебанияэлектронов могут происходить с различной частотой, что отражается на спектре второйгармоники излучения.
Сходные сдвиги, но при иных условиях наблюдались и в [33]. В этойработе интенсивность лазерного излучения была ~1016 Вт/см2, но угол падения на мишень(молибден) – 45°, при этом, в данной работе, мишень не смещалась во время импульснопериодического лазерного воздействия с частотой 10 Гц, т.е. ГВГ происходила в кратеремишени при размытой границе плазма-вакуум.К дополнительному механизму, который может приводить к голубому сдвигуспектральных компонентов ВГ, относится генерация второй гармоники в результате20четырехволнового смешения с терагерцовым излучением в плазме (ωSHG=ω0+ω0+ωTHz) [50](TFISH - second harmonic induced by the THz field).
Терагерцовое излучение при взаимодействиифемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью может возникать как наповерхности такой мишени [51], так и в плазме ионизованного воздуха или облаке частицмишени, разлетающихся после абляции мишени предымпульсом. Наличие кластеров ипродуктов разлета мишени в плазме, повышает эффективность образования терагерцовогоизлучения до 10−8 [52], в то время как в воздухе эффективность на три порядка ниже [50]. Привзаимодействии пикосекундных предымпульсов с такой плазмой, генерация терагерцовогоизлучения будет инициирована как раз к приходу основного импульса (через ≈10 пс) [53].Однако, эффективность такого процесса будет очень мала.Такимобразом,спектральныемодификациивзаимодействием лазерного излучения с плазмой иВГопределяются,какправило,могут быть использованы для еехарактеризации.
Наличие сдвигов в красноволновую область может быть свидетельствоминициации резонансного поглощения лазерной энергии. Регистрация больших (>3 нм) голубыхсдвигов будет являться индикатором присутствия среды перед поверхностью мишени (газа илиразлетающихся частиц мишени, аблированных предымпульсом).
Амплитуда сигнала ВГ икоррелирующий ей выход рентеновского излучения могут использоваться для контроляизменения интенсивности лазерного излучения, воздействующего на мишень.1.1.3 Абляция и возникновение глубоких микроканалов в режиме импульснопериодического лазерного воздействия на мишеньВ импульсно-периодическом режиме взаимодействия лазерного излучения с мишенью,ее поверхность модифицируется к приходу следующего импульса. Традиционно, при описаниипроцессов взаимодействия лазерного излучения фемтосекундной длительности с веществом,рассматривают два различных режима взаимодействия: при больших (~102-104 Дж/см2) ималых (~1 Дж/см2) плотностях энергии в лазерном импульсе [54].При малых плотностях энергии лазерного излучения (т.е.
на пороге абляции, когда~1 Дж/см2),многоимпульсное лазерное воздействие приводит к возникновению наповерхности мишени периодических структур [55, 56, 57, 58]. Возникновение таких структур спериодом близким к длине волны λ было зарегистрировано еще в 1983 году [59, 60] исвязывалось с интерференцией падающего излучения с индуцированной или рассеяной намишени электромагнитной волной. Взаимодействие лазерного излучения с мишенями,имеющими периодический рельеф или наноструктурированную поверхность (в том числе и21напыленные на поверхность наночастицы [61, 62]) ведет к увеличению поглощения лазернойэнергии [63], как следствие к увеличению эффективности генерации жесткого рентгеновскогоизлучения [64] и возрастанию средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазернойплазмы [65–69] за счет усиления локального электромагнитного поля [70].
Кроме этого,наличие структур способствует и возрастанию сигнала второй гармоники [71].Глубина абляции материала («скорость абляции») за лазерный импульс принимаетзначения от нескольких сотен нанометров при ~10 Дж/см2 до микрона при ~102 Дж/см2 [54,72, 73] и в случае плотностей энергий близких к пороговым, может быть оценена по формуле[74]:( ⁄где Ls– глубина скин-слоя,),(1.10)– поглощенная плотность энергии,– значение пороговойплотности энергии, при которой начинается процесс абляции вещества мишени. Пороговоезначение плотности лазерной энергииотличается для металлов и диэлектриков (из-заналичия свободных электронов) и пропорционально концентрации электронов плазмы и длиневолны лазерного излучения, при этом оно слабо зависит от длительности лазерного импульса (вдиапазоне 0,1 – 100 пс для металлов и 0,1-1 пс для диэлектриков [75, 76]).
Для кварца этавеличина составляет Fth≈1,5 Дж/см2 (=526 нм) и ≈2,5 Дж/см2 (=1053 нм) [75]. Порог абляцииметаллов фемтосекундным лазерным излучением (100 фс) – Fth ≈0,1-0,5 Дж/см2 [77, 76].Привысокихплотностяхэнергиифемтосекундноголазерногоизлучения(~10−103 Дж/см2) в результате процесса лазерной абляции, в мишени формируются кратеры,вид которых зависит от ряда параметров (энергия и частота повторения импульсов, наличиегазовойсредыпередмишенью,материалмишени)1.Приимпульсно-периодическомвоздействии лазерных импульсов в одну точку мишени, образуются глубокие микроканалы, вкоторых наблюдается существенное возрастание температуры фемтосекундной лазернойплазмы по сравнению с соответствующим значением на поверхности мишени, о чемсвидетельствует возрастание выхода рентгеновского излучения из канала [78].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
