Особенности формирования плазмы на поверхности расплавленных металлов сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением (1104157), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Важно отметить, что расширение плазмы происходит восновном вдоль нормали к поверхности мишени, а граница области критической плотностиявляется существенно неплоской для всех задержек лазерного излучения. При большихзадержках в 9 нс и более происходит отрыв непрозрачной области 1 от границы мишени и вдальнейшем непрозрачная область постепеннопостепен размывается. В то же время на расстоянии отповерхности мишени в части снимков при задержке в 13 нс наблюдается область 3 сповышенной плотностью. Формирование такой области может быть связано с конденсациейостывшей плазмы с тенденцией к формированию жидкой капли. Характерный размер этой14области примерно равен 15-20 мкм. Размеры указанных областей вдоль нормали кповерхности мишени в целом растут с увеличением задержки между импульсами.
Скоростьфронта критической плотности на длине волны 400 нм составляет 5.8±0.7х105 см/с, аскорость расширения плазменной области 2 – 21±2х105 см/с. Отметим, что приконтрастировании изображения рис.6 в (рис.6 г) на границе мишени видны существенныевозмущения поверхности (область 4) и даже мелкие, микронного размера, капли (показаныстрелкой).Совокупность полученных нами данных о зависимости характеристик плазмы,создаваемой фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью менее 1017 Вт/см2, отнаносекундного контраста и поляризации этого излучения указывает, что при контрастепорядка 200 и менее в формирование горячего электронного компонента плазмы вносятвклад процессы, не характерные для случая взаимодействия фемтосекундного лазерногоизлучения с твердотельными мишенями.
На это указывает, в первую очередь, исчезновениезависимости параметров плазмы от поляризации излучения при ухудшении контраста, атакже существенное увеличение эффективности генерации жесткого рентгеновскогоизлучения и аномально высокие значения средней энергии горячих электронов при низкомконтрасте излучения. В наших условиях пространственный масштаб градиента электроннойплотности значительно больше длины волны излучения. Таким образом увеличение β и ростEh с ухудшением контраста не могут быть связаны с изменением условий для резонансногопоглощения лазерного излучения.Исчезновение зависимости характеристик горячего электронного компонента отполяризации излучения может быть связано с искривлением поверхности плазмы, с которойвзаимодействует основной лазерный импульс.
С формированием неглубокого кратера наповерхности мишени связано слабое различие в β, Eh и скоростях быстрых ионов привысоком контрасте лазерного излучения.Формирование на временах задержек порядка 13 нс плотных неоднородностейплазмы размером около 15-20 мкм, окруженных плазменным облаком докритическойконцентрации с размером свыше 100 мкм, а также существенное возмущение границыжидкости в области воздействия на тех же задержках, объясняет наблюдаемые намиэффекты. Для таких плазменных образований должен наблюдаться существенный ростэффективности генерации жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячихэлектронов. Слабая зависимость от поляризации лазерного излучения определяется,очевидно, наличием сильно развитой неоднородной границы критической плотности.Уменьшение средней энергии горячих ионов и температуры тепловых электронов плазмы посравнению со случаем взаимодействия с достаточно резкой границей плазма-вакуум,15наблюдаемое нами, может быть связано с равномерной по пространству диаграммой разлетаионов по всем направлениям и, соответственно уменьшением средней энергии на один ионпо сравнению со случаем высокого контраста (когда разлет ионов носит квазиодномерныйхарактер).Заключение и выводыВ рамках настоящей работы создана экспериментальная установка для исследованиявзаимодействиямощногофемтосекундноголазерногоизлучениясповерхностьюрасплавленных металлов с использованием рентгеновских и ионных методик для оцениванияпараметров тепловых и горячих электронов плазмы, а также проведения оптическойдиагностикиплазмырасплавленныхпробнымметалловпучком.Системанепосредственновнагревапроцессеобеспечиваетпроведенияполучениеэкспериментов.Разработанная система дифференциальной откачки обеспечивает измерение ионных токов изплазмы, формируемой на поверхности расплавленного металла с низким давлениемнасыщенных паров.
Реализованная в работе методика теневой оптической диагностикиплазменного факела на частоте второй гармоники (400 нм) излучения лазерной системы насапфире с титаном обеспечивает визуализацию этого факела с временным разрешением в1 нс и пространственным разрешением около 3 мкм при поле зрения 200х200 мкм2.В рамках работы получен ряд методически важных результатов:1.Существенноевлияниенаоценкусреднейэнергиигорячихэлектроновподвухдетекторной методике оказывает К-альфа излучение плазмы при условии, что средняяэнергия горячих электронов сравнима, либо превышает энергию К-альфа линий, аиспользуемые фильтры прозрачны для этого излучения.
Так, в случае галлиевой мишениоценка средней энергии горячих электронов по двухдетекторной методике с использованиемфильтров с пропусканием Ex>2.5 кэВ и Ex>15 кэВ дает (контраст 106, p-поляризация) 8 кэВ, апо методу полосовых фильтров– 15 кэВ.2.
Оценка температуры тепловых электронов плазмы и заряда медленных ионов по ионнымвремя-пролетным сигналам для мишеней моноатомного состава может быть выполненалинейной аппроксимацией зависимости энергии пичков, соответствующих ионам с разнымизарядами от их номера. Для проведения таким способом оценки энергии горячих электронови заряда быстрых ионов необходимо проводить измерения на большой время-пролетнойбазе.3.
В экспериментах по взаимодействию фемтосекундного лазерного излучения с частотойследования импульсов 10 Гц с поверхностью расплавленного металла могут бытьиспользованыразныелегкоплавкиеметаллы,16чтодаетвозможностьуправленияспектральными и энергетическими характеристиками жесткого рентгеновского излученияплазмы.4. В интервале давлений в камере взаимодействия от 0,02 до 0,18 Тор средние значенияэффективности преобразования в жесткое рентгеновское излучение и средней энергиигорячих электронов слабо зависят от давления в камере взаимодействия.
При ухудшениидавления до 0,185 Тор и выше происходит резкое падение выхода рентгеновского излученияи слабое возрастание средней энергии горячих электронов в этой же области. Этот эффект независит от поляризации лазерного излучения.Основныерезультаты,полученныеврамкахнастоящейдиссертацииможносформулировать следующим образом:1. При взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения большой интенсивности ивысокого контраста с поверхностью расплавленного металла происходит эффективноеускорение многозарядных ионов основного материала мишени вдоль нормали к этойповерхности. При интенсивности лазерного излучения порядка 5х1016 Вт/см2 средняяэнергия ионов индия на заряд составляет около 25 кэВ, а максимальная энергия ионовгаллия и индия превышает 1 МэВ.2.
Эффективность генерации жесткого рентгеновского излучения и средняя энергиягорячих электронов плазмы, формируемой фемтосекундным лазерным излучением счастотой следования импульсов 10 Гц, существенно зависят от наносекундногоконтраста лазерного излучения и слабо зависят от его поляризации. С ухудшениемконтраста возрастает число реализаций с аномально высокими эффективностьюгенерации жесткого рентгеновского излучения и средней энергией.
В случае галлиевоймишени максимальные значения достигаются при контрасте 30-50. При этомэффективность преобразования в жесткий рентгеновский диапазон возрастает в 200-300раз, а энергия горячих электронов в 3 и более раз.3. В случае галлиевой мишени зависимость эффективности генерации К-альфа линииизлучения галлия от контраста и поляризации повторяет общие закономерности: ростэффективности с ухудшением контраста и слабая зависимость от поляризации.Эффективность генерации К-альфа линии составляет порядка 2.5х10-5 при контрасте 106и имеет максимум при контрасте 53 в 2.5х10-4.4.
С ростом атомного номера материала мишени существенно возрастает выход жесткогорентгеновского излучения. Наблюдаемые изменения в распределении средней энергиигорячих электронов по реализациям связаны в первую очередь с различием в значенияхконтраста лазерного излучения, при которых наблюдается существенное число17реализаций с аномально высокими выходом жесткого рентгеновского излучения исредней энергией горячих электронов.5.
На основе анализа ионных время-пролетных сигналов нами получено, что приформировании плазмы на поверхности расплавленного металла лазерным излучением синтенсивностью порядка 5х1016 Вт/см2 (энергия импульса 1 мДж, длительность 50 фс):i. Температура тепловых электронов плазмы галлия при контрасте по интенсивностисвыше 106 достигает 500 эВ при p и s –поляризациях лазерного излучения. Приухудшении контраста эта температура уменьшается до 200-300 эВ и не зависит отполяризации излучения;ii.
Заряд медленных ионов плазмы галлия составляет при максимальном контрасте около10, а максимальный заряд этих ионов – 13, т.е. соответствует иону галлия с полностьюзаполненными 1-3 электронными оболочками. При ухудшении контраста зарядовыйсостав медленных ионов галлия меняется слабо и также не зависит от поляризацииизлучения;iii. В ионном токе галлия наблюдается вклад ионов кислорода с кратностями ионизациивплоть до 8+, а слабый протонный сигнал заметен лишь при максимальном контрастелазерного излучения. Оценка температуры электронов по ионам кислорода совпадает,в пределах погрешности измерений, с оценкой этой температуры по ионам галлия;iv. «Температура» горячих электронов, оцененная по ионному сигналу, полученному длявремя-пролетной базы 120 см в случае индиевой мишени, составляет 25 кэВ, а зарядбыстрыхионовиндиявсреднемсоставляетоколо10+.Даннаяоценкаквазитемпературы находится в разумном согласии с оценкой, полученной для среднейэнергии горячих электронов по рентгеновскому свечению плазмы, с учетомсоотношения между этими величинами.6.
Найденные по результатам обработки время-пролетных ионных сигналов зависимоститемпературы электронов плазмы, средней энергии горячих электронов от контрасталазерного излучения в целом противоречат результатам, полученным при использованиирентгеновских методик, но подтверждают отсутствие зависимости данного параметра отполяризации лазерного излучения, обнаруженное при использовании этих методик.7. Методика оптического зондирования позволила выявить, что плазменный факел состоитиз двух областей – области с плотностью плазмы, превышающей критическую, и областиплазмы малой плотности. Граница области критической плотности имеет существенно неплоскую форму.
При энергии лазерного импульса порядка 200 мкДж и на временах до10 нс относительно момента формирования плазмы граница области критическойплотности двигается вдоль нормали к поверхности мишени со скоростью около 6 км/с. В18то же время движение фронта плазмы происходит со скоростью около 21 км/с в том женаправлении. На временах порядка 10 нс область плазмы с плотностью, превышающейкритическую, отрывается от поверхности мишени.8. Наблюдаемые нами особенности во взаимодействии фемтосекундного лазерногоизлучениясинтенсивностьюпорядка5х1016 Вт/см2,имеющемпредымпульссопережением 13 нс и контрастом 400 и ниже, с поверхностью расплавленного металламогут быть связаны с формированием плотных неоднородностей плазмы размером около15-20 мкм, окруженных плазменным облаком докритической концентрации с размеромсвыше 100 мкм, а также существенным возмущением границы жидкости в областивоздействия.СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ1.Д.С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
