Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Степанов А.Н.

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

доктор физико-мaтемaтических наук С.В. Гарнов

доктор физико-мaтемaтических наук В.М. Гордиенко

доктор физико-мaтемaтических наук Н.С. Степанов

Ведущая организация:

Объединенный институт высоких температур РАН, г. Москва

Защита состоится «__» __________2008 года в ____ на заседании диссертационного совета Д002.069.02 в Институте прикладной физики РАН по адресу: Н.Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан «__» __________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-мaтемaтических наук Ю.В. Чугунов

1. Общая характеристика

Актуальность темы

В начале 90-х годов прошлого века были созданы источники лазерного излучения, генерирующие импульсы сверхмалой длительности 100 фс [1-4], заложены и реализованы принципы их дальнейшего усиления [5, 6]. Это стало отправной точкой, с которой начался процесс бурного развития фемтосекундных лазерных систем, приведший к настоящему времени к созданию широкого спектра уникальных лазерных источников. Минимальная длительность лазерного импульса фактически достигла возможного предела в 1.5-2 периода оптического поля ( 4-5 фс) [7, 8], а максимальная мощность доросла до P ~ 1 ПВт [9-11]. Сверхмалая длительность лазерных импульсов и высокая интенсивность лазерного излучения при относительно малой энергетике в импульсе определили специфику фемтосекундных лазерных систем, как новых инструментов исследования.

Как показало дальнейшее развитие, эти новые инструменты оказались весьма плодотворными. Круг проблем, поддающихся изучению с помощью фемтосекундных лазеров, огромен. Предельно короткая длительность лазерных импульсов позволила применять их (в режиме pump-probe) для исследования быстропротекающих процессов. Динамика неравновесных носителей в полупроводниках [12, 13] или сверхбыстрое плавление твердого тела [14, 15] - характерные примеры данного направления.

Другая отличительная черта фемтосекундных лазерных импульсов - высокая интенсивность лазерного излучения - привела фактически к созданию нового направления исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом: физике сверхсильных оптических полей. Действительно, уже при интенсивности I 31016 Вт/см2 напряженность светового поля превышает напряженность внутриатомного поля в атоме водорода. Взаимодействие сверхмощного лазерного излучения с веществом успешно используется сегодня для изучения новых классов физических явлений, таких как генерация плазменных волн большой амплитуды и ускорение частиц [16-18], создание сверхдальних лидаров и нелинейная спектроскопия атмосферы, генерация высоких гармоник основной частоты, простирающихся вплоть до диапазона мягкого рентгена [19]. В режиме сверхсильного оптического поля оказывается возможным проводить исследования с инициированием целого спектра ядерных процессов: возбуждение ядерных уровней [20], управляемый термоядерный синтез [21, 22] и др.

Микро- и наноструктурирование материалов фемтосекундными лазерными импульсами не требует столь большой интенсивности, но в течение всего времени использования фемтосекундного лазерного излучения привлекало значительное внимание исследователей [см. обзоры 23, 24]. Связано это с тем, что применение ультракоротких импульсов сильно уменьшает влияние процессов теплопроводности, что в свою очередь минимизирует нежелательное воздействие на материал за пределами лазерного пучка и позволяет делать обработку более аккуратной [25-27]. Кроме этого высокая интенсивность лазерного излучения позволяет обеспечить нелинейный режим воздействия на материал. При нелинейном характере воздействия появляется возможность уменьшения области, в которой происходит структурирование. Становится возможным создание микроструктур в материалах с большой шириной запрещенной зоны [28].

Таким образом, уже очерчивание того широкого круга задач, решаемых с использованием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения при его взаимодействии с веществом, находящимся в различных фазовых состояниях наглядно демонстрирует актуальность темы диссертационной работы.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является исследование широкого круга вопросов, связанных с взаимодействием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, находящимся в различных фазовых состояниях: твердом, газовом, плазменном, для решения задач фундаментальной и прикладной физики.

Ключевые задачи, решаемые в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом:

- исследование механизмов и режимов воздействия фемтосекундного лазерного излучения на материалы с целью получения микро- и наноструктур. Речь идет как о микроструктурировании в объеме для создания элементов оптоэлектроники, так и создании наноструктур под иглой атомно-силового микроскопа на поверхности (элементы оптической и магнитной памяти),

- изучение процессов, связанных с распространением интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере,

- исследование возможностей использования плазмы в качестве среды для усиления фемтосекундного лазерного излучения и формирования высокоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов. Экспериментальное исследование рамановского усиления коротких лазерных импульсов в плазме в процессе трехволнового взаимодействия,

- высокоградиентное ускорение электронов в поле плазменной волны, возбуждаемой интенсивным лазерным импульсом.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для микроструктурирования прозрачных образцов может быть использовано излучение задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе W1нДж.

2. При облучении острия зонда атомно-силового микроскопа излучением фемтосекундного лазера продемонстрирована возможность образования на поверхности металлических пленок наноструктур (углублений, кратеров) диаметром 20-100 нм и глубиной в несколько нанометров.

3. На основе применения частотно модулированных фемтосекундных лазерных импульсов разработана и реализована экспериментально оригинальная одноимпульсная методика исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, с помощью которой, в частности, была исследована динамика начальной стадии эволюции сильных (до 10 Гпа) ударных волн.

4. Аксиконная фокусировка интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики позволяет формировать каналы в образце из оптически модифицированного вещества с рекордно высоким аспектным отношением (поперечный размер канала порядка микрона и длина до одного сантиметра).

5. При распространении в атмосфере интенсивного фемтосекундного лазерного излучения происходит нелинейное поглощение лазерного излучения связанное с неадиабатическим возбуждением вращательных уровней молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением.

6. Ионизационная трансформация спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре позволяет осуществить сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа.

7. Рамановское усиление фемтосекундных лазерных импульсов при встречном распространении усиливаемого фемтосекундного импульса и частотно-модулированного широкополосного импульса накачки с той же несущей частотой в диэлектрическом капилляре, заполненным газовой плазмой, за счет большой длины усиления позволяет добиться рекордно высоких значений коэффициентов усиления по спектральной интенсивности усиливаемого сигнала (~ 103) и по энергии выходного излучения (~ 102).

Научная новизна диссертационной работы

1. Экспериментально продемонстрирована возможность микроструктурирования халькогенидных стекол излучением задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе порядка 1 нДж.

2. Проведено детальное исследование формирования наноструктур на поверхности металлических пленок под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии на зонд излучения фемтосекундного лазера. Выполненный цикл экспериментальных исследований позволил выявить основной механизм образования структур на поверхности: механическое воздействие сильно нагретого лазерным излучением зонда при его термическом расширении.

3. Продемонстрирована возможность формирования каналов модифицированного вещества образца с высоким аспектным отношением (поперечный размер порядка микрона и длина до одного сантиметра) при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики.

4. Разработана и реализована экспериментально оригинальная одноимпульсная методика исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, основанная на применении частотно модулированных лазерных импульсов. С ее помощью была исследована динамика начальной стадии эволюции сильных (до 10 Гпа) ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивным фемтосекундным излучением.

5. Детально исследование влияние филаментации фемтосекундного лазерного пучка в атмосфере на высоковольтный пробой разрядного промежутка. Обширный экспериментальный материал послужил основой теоретическому описанию разрядных явлений, выполненному с учетом детального анализа основных процессов, играющих определяющую роль, в формировании разряда.

6. Обнаружен и исследован новый механизм сильного нелинейного поглощения интенсивного фемтосекундного лазерного излучения при распространении в атмосфере. Построена модель нелинейного поглощения, основанная на неадиабатическом возбуждении пакета вращательных уровней молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением.

7. Проведено экспериментальное исследование ионизационной трансформации спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре. Впервые экспериментально продемонстрировано сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа.

8. Экспериментально продемонстрировано усиление фемтосекундных лазерных импульсов при вынужденном рамановском рассеянии в случае встречного распространения усиливаемого фемтосекундного импульса и частотно-модулированного широкополосного импульса накачки с той же несущей частотой в диэлектрических капиллярах, заполненных газовой плазмой, с рекордно большими значениями коэффициента усиления по спектральной интенсивности усиливаемого сигнала (~ 103) и по энергии выходного излучения (~ 102).

9. С использованием продольной спектральной интерферометрии измерены колебания в плазменной волне, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом с относительным возмущением плотности электронов в плазменной волне ~ 1 и продольным ускоряющим электрическим полем порядка E 10 ГВ/м.

Практическая ценность диссертации

В работе продемонстрированы и развиты методы использования фемтосекундного лазерного излучения для микро- и наноструктурирования различных материалов (микроструктуры в халькогенидных стеклах при малой энергии в лазерном импульсе - глава 2, параграф 2.1, каналы с высоким аспектным отношением при аксиконной фокусировке - глава 3, параграф 3.1, наноструктуры на поверхности металлических пленок - глава 2, параграф 2.2). Эти результаты могут представлять практическую ценность в области оптоэлектроники, создания элементов оптической и магнитной памяти со сверхвысокой плотностью записи.

Ряд результатов (нелинейное поглощение интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере - глава 4, параграф 4.1, каналирование и снижение порога образования высоковольтного разряда постоянного тока - глава 4, параграф 4.2) представляется важным при геофизических приложениях интенсивного фемтосекундного излучения: исследования распространения такого излучения в атмосфере или управления молниевым разрядом.

Результаты 5 главы позволяют говорить о том, что плазма может быть средой, которую можно использовать для усиления (параграф 5.2) и компрессии (параграф 5.1) фемтосекундного излучения. Это открывает дорогу для создания фемтосекундных лазерных систем тераваттного и петаваттного уровня мощности со сверхкороткой длительностью лазерного импульса. Наконец исследование возбуждения плазменных волн большой амплитуды (параграф 5.3) демонстрирует возможность получения ускоряющих полей, на несколько порядков превышающих значения, достигаемые в обычных высокочастотных ускорителях электронов. Такие плазменные ускорители могут стать основой ускорителей нового поколения.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: конференция «Оптика лазеров» (С.-Петербург, 1993, 2000, 2006), Международная конференция по лазерам и электрооптике (CLEO, Anaheim, 1994, Балтимор, 1999, 2001, 2003), Международная конференция `High field interactions and short wavelength generation' (St. Malo, 1994), VIII Конференция `Application of high field and short wavelength sources' (Potsdam, 1999), Международное российско-итальянское совещание по лазерной физике ITARUS'2001 (Санкт-Петербург, 2001), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO (Минск, 2001, С.-Петербург, 2005), Ежегодное международное совещание по лазерной физике LPHYS (Москва, 2001, Братислава, 2002, Триест, 2004), Международная конференция IQEC/LAT 2002 (Москва, 2002), Международный симпозиум по сканирующей зондовой микроскопии SPM'2003 (Н. Новгород, 2003), Международная научная конференция Ultrafast Optics 2001 (Chвteau Montebello, Quйbec, 2001), Международный симпозиум `Topical Problems of Nonlinear Wave Physics' (Н. Новгород, 2003, 2005), Совместный международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2004), II международный симпозиум `Frontiers of Nonlinear Physics' (Н. Новгород, 2004), IV Международный симпозиум `Modern problems of laser physics', (Новосибирск, 2004), симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н. Новгород, 2005), III Международная конференция `Superstrong Fields in Plasmas' (Varenna, 2005), X Международная конференция по многофотонным процессам ICOMP'2005 (Quebec, 2005), Международная конференция `High power laser beams'(Н.Новгород-Ярославль, 2006), Международная конференция “Advanced laser technology'06” (Брашов, 2006), Международная конференция “Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with Intense Ultrashort Laser Pulses”, IAMPI'06 (Szeged, Hungary, 2006), XV симпозиум по спектроскопии высокого разрешения HighRus-2006 (Томск, 2006).

По теме диссертации опубликовано 20 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, 6 статей в сборниках, 39 тезисов докладов на конференциях, 1 препринт, получен 1 патент.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены при непосредственном и активном участии автора. Автором осуществлялся выбор задач и методов исследований, разработка методик измерений и обработки результатов, постановка экспериментов и их проведение.

Структура и краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Общий объем диссертации составляет ... страниц, включая ... рисунка и список литературы из ... наименований.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы. Приводится информация о публикациях по теме диссертации. Кратко излагается содержание работы.

В первой главе приведено описание фемтосекундного тераваттного лазерного комплекса, созданного в ИПФРАН [29], на основе которого была выполнена большая часть экспериментальных исследований, составляющих содержание диссертационной работы. Рассматривается блок-схема созданного фемтосекундного лазерного комплекса, кратко описаны отдельные принципиальные элементы этой схемы. Более подробно рассмотрены вопросы обеспечения необходимого контраста лазерных импульсов.

Во-первых, проанализирован вопрос о взаимосвязи ширины спектра пропускания системы, состоящей из стретчера - усилителя - компрессора, и временного контраста. Показано, что временной контраст импульса монотонно возрастает по мере увеличения ширины спектра. Для большинства выполненных на данной установке экспериментов достаточно было иметь временной контраст на выходе системы ~ 105, поэтому в нашем случае была выбрана соответствующая (согласно расчету) полоса пропускания = 70 нм.

Как известно, минимальная длительность импульса соответствует спектрально ограниченному импульсу, у которого спектральная фаза не зависит от частоты. Поэтому далее была аналитически решена задача о выборе параметров системы стретчер - усилитель - компрессор, при которых можно было бы компенсировать 2, 3 и 4 члены в разложении в ряд Тейлора по частоте спектральной фазы усиливаемого импульса на выходе лазерной системы.

На основе проведенного анализа была изготовлена соответствующая система стретчер - компрессор. Длительность лазерного импульса на выходе лазерного комплекса и временной контраст импульса измерялись с помощью стандартной методики определения автокорреляционной функции импульса (схема одноимпульсного автокоррелятора) и с использованием более информативной методики FROG, измеряющей автокорреляционную функцию со спектральным разрешением (Рис.1).

Рис.1. Автокорреляционная функция импульса, восстановленная методом FROG.

Длительность лазерного импульса 70 фс.

Минимальная длительность импульса, полученная при оптимальной настройке компрессора по длине и по углу падения излучения на решетку, составила по полуширине, как при определении длительности импульса по автокорреляционной функции, так и согласно FROG методики 70 фс. Временной контраст при отстройке от максимума импульса на 1 пс может быть оценен как 10-3.

Во второй главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения относительно невысокого (для фемтосекундной длительности лазерных импульсов) уровня интенсивности I1012 Вт/см2 с твердым телом с целью получения структур микро- и нанометрового масштаба.

В первом параграфе главы исследуется микроструктурирование сильно нелинейных сред (халькогенидных стекол) с использованием задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе, не превышающей Wp 1-2 нДж. Показано, что в такой среде уже при наноджоульной энергии в фемтосекундном лазерном импульсе может происходить образование структур из модифицированного вещества с субмикронными размерами. Исследованы закономерности возникновения микроструктур, в частности, показано, что время, необходимое для развития микроструктур обратно пропорционально квадрату энергии в лазерном импульсе.

Предложена модель, основанная на двухфотонном поглощении лазерного излучения и последующего локального нагрева материала образца. Действительно, оценим нагрев образца в области фокуса при двухфотонном поглощении. Число актов двухфотонного поглощения в единице объема в единицу времени пропорционально сечению двухфотонного поглощения 2, концентрации поглощающих молекул n0, и квадрату интенсивности в фокусе I0.Тогда выделение энергии в единице объема в фокусе за время импульса p составит величину W2n0pI02. При частоте повторения Fn скорость выделения энергии в единице объема будет

dW/dt2n0pI02Fn

Образование наблюдаемых микроструктур в образце As2S3 происходит, когда поглощенной энергии становится достаточно для нагрева материала до температуры размягчения (плавления) Тпл. Тогда время образования микроструктур e может быть определено интегрированием (1) из соотношения

2n0pI02Fne=срТпл

где ср=0.46 дж/гград - удельная теплоемкость, с=3.2 г/?см3 - плотность As2S3 [30]. Следующая из (2) зависимость e~1/I~1/W хорошо соответствует экспериментальным данным.

Во втором параграфе главы излагаются результаты экспериментального исследования формирования наноструктур на поверхности мишеней из разных материалов при облучении зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) излучением фемтосекундного лазера. Продемонстрирована возможность образования на поверхности образцов углублений (кратеров) диаметром 20-100 нм и глубиной в несколько нанометров.

Рис. 2. Схема эксперимента по наноструктурированию металлических образцов

Качественная схема эксперимента приведена на рис. 2. Типичный вид получающихся наноструктур приведен на рис. 3 для пленки из FeCr, p-поляризации лазерного излучения и плотности потока энергии F = 95 мДж/см2. Характерный диаметр наноструктур вблизи порога появления оставлял d = 20…50 нм, глубина h = 2…5 нм.



Рис. 3. Вид наноструктуры для пленки из FeCr, плотность потока энергии F = 95 мДж/см2 для p-поляризации лазерного излучения.

Проведены исследования влияния зависимости порога образования наноструктур от поляризации лазерного излучения, длительности лазерного импульса, расстояния между острием зонда и поверхностью образца. Выполненный анализ экспериментальных результатов позволил сделать вывод о том, что основной причиной образования наноструктур на поверхности образцов при лазерном облучении зонда АСМ является разогрев зонда поглощенным лазерным излучением и его механическое давление на образец при термическом удлинении. В работе выведен критерий для пороговой плотности потока энергии Fth образования наноструктур, полученный из условия равенства термического удлинения зонда упругой деформации конического зонда под действием внешней силы:

где 0 - некоторое предельное напряжение для материала образца, начиная с которого на нем остаются необратимые изменения после воздействия со стороны зонда, A() - коэффициент поглощения лазерного излучения, c и - удельная теплоемкость и плотность материала зонда.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с прозрачными диэлектриками при фокусировке лазерного излучения конической линзой - аксиконом.

В первом параграфе главы приведены результаты экспериментальных исследований микромодификаций диэлектриков и формирования в них протяженных каналов, возникающих в прозрачных мишенях при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного лазерного излучения. Как известно [31], аксикон фокусирует пучок падающего излучения в нить, вытянутую вдоль своей оси. Мишени из прозрачного диэлектрика в наших экспериментах размещались в области максимума интенсивности. Максимальная интенсивность излучения на оси аксикона достигала величины I (1--5)10 Вт/см. Для фокусировки лазерного излучения использовалась коническая аксиконная линза с углом при основании = 20. При фокусировке интенсивного излучения в прозрачную диэлектрическую мишень при превышении энергии в импульсе некоторого порога в ней наблюдалась яркая светящаяся нить. Последующее рассмотрение этой области под микроскопом показало, что в мишени образуется канал, диаметр которого составлял d 1,5 мкм, а длина могла превосходить 1 см и равняться толщине образца.

Кроме того, оказалось, что в спектре излучения, прошедшего через область фокусировки аксикона в прозрачном диэлектрике, появлялись новые спектральные компоненты, а именно: в прошедшем через мишень излучении наблюдалась система из двух-трех концентрических разноцветных колец, отделенных друг от друга темными промежутками. Внутреннее кольцо соответствовало основной гармонике лазерного излучения и наблюдалось всегда. Внешние кольца возникали при превышении энергии в импульсе некоторого порога, причем этот порог превышал порог появления светящейся нити в материале диэлектрика. Длина волны излучения в кольцах уменьшалась по мере роста диаметра кольца. Спектр первого по радиусу кольца после кольца на основной частоте для образца из оптического стекла К8 приведен на рис.4. Там же представлен в качестве репера спектр 2-ой гармоники Nd:YAG лазера (узкий пик). При облучении мишеней из других материалов наблюдались кольца и других цветов.

Рис. 4. Спектр первого дополнительного кольца, К8, узкий пик на длине волны = 532 нм - спектр 2-ой гармоники Nd:YAG лазера.

По нашим представлениям и формирование протяженных каналов в диэлектриках, и генерация новых спектральных компонент тесно связаны с возникновением плазмы в объеме диэлектрика при аксиконной фокусировке. Геометрия аксиконной фокусировки такова, что позволяет создавать внутри мишени интенсивность I 10 Вт/см, в значительной мере избегая (в силу малости поперечных размеров области с высокой интенсивностью) эффектов, связанных с самофокусировкой. Ионизация материала образца при такой высокой интенсивности активно идет уже на переднем фронте лазерного импульса. Характерный поперечный размер образовавшейся плазмы определяется характерным масштабом спадания электромагнитного поля и составляет величину ~ 1 мкм. Образование каналов, наблюдавшееся в эксперименте, по-видимому, связано с поглощением энергии лазерного излучения возникающей плазмой. Нагрев материала в канале до температуры, превышающей температуру плавления, и дальнейшее быстрое остывание и затвердевание материала образца приводит к изменению коэффициента преломления среды или за счет изменения плотности, или за счет остаточных напряжений в области самого канала и вокруг него. Действительно, экспериментально проведенное измерение дифракции излучения HeNe лазера на канале позволило оценить изменение коэффициента преломления в нем порядка ~10-2.

Далее в диссертации обсуждается следующий сценарий генерации новых спектральных компонент. Возникающий на оси аксикона плазменный канал выступает в качестве волноведущей структуры, в которой могут распространяться затухающие гибридные моды (так называемые leaking моды [43]). Спектр частот возбуждаемых мод может быть найден из условия равенства фазовых скоростей отдельных мод волноведущей структуры, определяемых с учетом поперечных размеров, параметров плазмы и дисперсионных характеристик материала, продольной фазовой скорости фемтосекундного лазерного импульса с учетом аксиконной фокусировки. В работе приведены результаты численного моделирования распространения интенсивного лазерного импульса в материале при аксиконной фокусировке с учетом ионизации, подтверждающие факт появления выделенных спектральных компонент.

Во втором параграфе третьей главы проведено исследование динамики ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в образце из оргстекла (полиметилметакрилата).

Рис. 5. Схема эксперимента по генерации и диагностике ударных волн.

Эксперименты были выполнены по оригинальной методике, основанной на спектральном анализе частотно модулированного оптического импульса (рис. 5). Диагностический частотно-модулированный сигнал (p 200 пс), представляющий часть лазерного импульса, не прошедшую через компрессор, с регулируемой задержкой проходил перпендикулярно оси аксикона через область, в которой происходило формирование плазменного канала. Так как разные длины волн частотно-модулированного импульса проходят через область взаимодействия в разные моменты времени, то в двумерной картине спектра, полученной на выходе спектрографа, горизонтальная ось в случае линейной частотной модуляции пропорциональна времени, а вертикальная ось соответствует пространственной координате. В результате изображение спектра на экране CCD камеры дает пространственно-временную развертку поперечного размера области, в которой формируется плазменный канал.

Рис. 6. Пространственно-временная развертка изображения области воздействия при различных задержках диагностического импульса фd0 нс, фd0.5 нс и фd1 нс. Энергия фемтосекундного импульса W=2.5 мДж.

Применение этой методики позволило исследовать динамику ударной волны за один лазерный импульс с высоким пространственным (~ 1 мкм) и временным (10 пс) разрешением. На рис. 6 представлена пространственно-временная динамика формирования и распространения ударной волны, образующейся в образце, при нескольких задержках диагностического импульса фd0 нс, фd0.5 нс и фd1 нс. Из анализа экспериментальных данных было показано, что в образце могут генерироваться ударные волны достаточно большой амплитуды (> 10 ГПа) при энергии в лазерном импульсе всего в несколько миллиджоулей. Данные по динамике поглощения диагностического излучения свидетельствуют о сложном характере кинетики разрушения материала мишени при ударно-волновом сжатии.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с распространением интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. В первом параграфе приведены результаты детального экспериментального и теоретического исследования высоковольтного разряда, стимулированного плазменной филаментой, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе. Исследования по инициированию электрического пробоя длинных воздушных промежутков при помощи лазерных импульсов ведутся уже несколько десятков лет [32-34] с целью управления траекторией искрового разряда, скоростью его развития, изменением среднего пробивного поля в межэлектродном пространстве. Практическими стимулами такой работы являются перспектива создания мегавольтных коммутаторов и искусственное инициирование молнии в грозовом облаке. Лазерные импульсы фемтосекундной длительности имеют свои особенности, относительно проблемы инициации высоковольтных разрядов [35-37].

Изучению этих особенностей и посвящены исследования, результаты которых приведены в этом параграфе. Основное внимание было обращено на исследования пороговых характеристик инициации разряда: зависимостей пробойного напряжения промежутка от энергии лазерных импульсов, длины промежутка, времени развития высоковольтного разряда от напряжения на электродах. В частности, было продемонстрировано трехкратное снижение порога возникновения инициированного разряда по сравнению с самостоятельным.



Рис. 7. Зависимость времени формирования разряда от напряжения на электродах. W= (8 - 10) мДж, d = 4.5 мм.

Как оказалось время задержки пробоя относительно лазерного импульса (время формирования разряда) слабо зависит от энергии лазерного импульса, резко возрастая лишь в области энергий, близких к порогу генерации филаменты, но существенно уменьшается с ростом напряжения на электродах (рис. 7). При увеличении напряжения на промежутке в 2 раза время пробоя уменьшается почти на 3 порядка величины. Столь сильная зависимость времени формирования разряда от воздействующего напряжения является характеристикой высоковольтного разряда, инициированного филаментой, и никогда ранее не наблюдалось в искровом разряде.

Обширный экспериментальный материал послужил основой теоретическому описанию разрядных явлений, выполненному с учетом детального анализа основных кинетических процессов, играющих определяющую роль в формировании разряда. В расчете также смоделировано формирование на месте образования филаменты по мере нагрева газа канала пониженной плотности. Все это позволило адекватно описывать экспериментальные результаты. В частности, расчет воспроизводит наблюдавшуюся в эксперименте резкую зависимость порога инициированного разряда от приложенного напряжения. Характерные расчетные величины электрических полей, необходимых для пробоя в случае инициации, близки к экспериментально измеренным значениям.

Во втором параграфе главы приводятся результаты экспериментального исследования другого нелинейного эффекта, обнаруженного нами при распространении интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере: нелинейного поглощения энергии фемтосекундных лазерных импульсов. При изучении поглощения лазерного излучения в атмосфере оптоакустическим методом было обнаружено, что величина поглощения энергии импульсов фемтосекундной длительности значительно (на два-три порядка) превосходит величину поглощения наносекундных импульсов при одинаковой энергии в импульсе и одинаковых спектрах импульсов. Зависимость поглощенной энергии от энергии в лазерном импульсе в случае фемтосекундной длительности импульса была близка к квадратичной (рис.8). лазерный излучение наноструктура электрон

Рис. 8. Зависимость амплитуды акустического сигнала от энергии в лазерном импульсе. Кружки - наносекундные импульсы, квадраты - фемтосекундные импульсы, сплошная линия - модель.

На базе анализа экспериментальных результатов была построена аналитическая модель нелинейного поглощения, основанная на возбуждении вращательного движения молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением. Сплошная линия на рис.8 построена на основании этой модели.

В пятой главе приводятся результаты исследования взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с плазмой, создаваемой при распространении этого излучения в газах. Интенсивность излучения во всех экспериментах, о которых речь идет в этой главе, заведомо превышает уровень, необходимый для ионизации I 1014 Вт/см2.

В параграфе 5.1. излагаются результаты исследований ионизационной трансформации спектра мощных лазерных импульсов с энергией до 10 мДж после их прохождения через диэлектрический капилляр, заполненный газом, и компрессии импульсов на внешнем компрессоре.

В экспериментах лазерное излучение вводилось в вакуумную камеру и фокусировалось сферическим зеркалом на входной торец капилляра. В капилляр напускался исследуемый газ (Ar, He, воздух) необходимого давления. В работе исследовались спектр и автокорреляционная функция лазерного импульса, прошедшего через газонаполненный капилляр.

Как было показано, при энергии в импульсе, недостаточной для ионизации газа, спектр излучения на выходе капилляра совпадал со спектром, полученным в случае откачанного капилляра. При превышении порога ионизации спектр выходного излучения смещался в сторону коротких длин волн. При увеличении энергии в падающем импульсе максимальная величина сдвига спектральных компонент увеличивалась. Максимальная величина сдвига "центра масс" спектра на выходе капилляра достигала Дл 20-30 нм, что составляет 2-3 ширины спектра импульса на входе в капилляр. Эффективная ширина спектра увеличивалась по сравнению с исходной в несколько раз.

Было выполнено численное моделирование процесса распространения лазерных импульсов в капилляре в условиях эксперимента в рамках параксиального уравнения для комплексной огибающей высокочастотного электрического поля и уравнений ионизационного баланса. Полученные в результате численного расчета спектры находятся в хорошем качественном согласии с экспериментом. Кроме этого, как было показано, зависимость спектральной фазы от длины волны оказалась близкой к квадратичной, что позволяет при компенсации этой квадратичной фазы с учетом значительного уширения спектра, осуществлять компрессию лазерного импульса. На рис. 9 приведено расчетное временное распределение интенсивности лазерного импульса на входе в капилляр (1) и на выходе из капилляра (2) в случае компенсации квадратичной фазы (Ar p=1 Торр, энергия входного импульса 3.5 мДж): длительность импульса сократилась в несколько раз. Рис. 10 демонстрирует экспериментальную компрессия лазерного импульса на выходе из капилляра: длительность импульса, полученная из экспериментально измеренной автокорреляционной функции, уменьшилась с ф0 90 фс до ф 35 фс, то есть почти в три раза по сравнению с исходной. Компенсация квадратичной составляющей спектральной фазы в эксперименте осуществлялась путем подбора кварцевых плоскопараллельных пластин необходимой толщины, которые помещались в лазерный пучок перед схемой измерения автокорреляционной функции.

Рис.9. Огибающая импульса (на оси) при компенсации квадратичной зависимости спектральной фазы от частоты (2) и огибающая исходного импульса (1).

Автокорреляционная функция скомпрессированного импульса (тонкая линия). Пунктиром представлена автокорреляционная функция импульса, прошедшего через откачанный капилляр. Жирной линией представлен результат оптимальной компрессии.

Использование капилляра, обладающего волноводными свойствами, позволяет значительно увеличить длину взаимодействия по сравнению со случаем свободного пространства, где дифракционное расплывание лазерного импульса ограничивает область, в которой существует интенсивное лазерное поле релеевской длиной.

Анализ процесса рамановского усиления был выполнен в приближении параксиального распространения импульсов волны накачки, усиливаемого импульса и плазменной волны. В результате было показано, что на линейной стадии, пока истощение накачки еще несущественно, и амплитуда усиливаемого импульса мала по сравнению с амплитудой накачки, усиление идет с временным инкрементом, совпадающим по величине с инкрементом пространственно однородной задачи. Существенно отметить, что на линейной стадии усиливаемый импульс расширяется в пространстве. На нелинейной стадии усиливаемый импульс не только усиливается, но и сжимается по длительности. Анализ показал, что важным для сопоставления с экспериментом является процесс нелинейного опрокидывания плазменной волны, приводящий к ограничению ее амплитуды.

В эксперименте использовался стеклянный капилляр диаметром 30 мкм и длиной 1.5 см. Капилляр помещался в вакуумную камеру. Вакуумная камера после откачки наполнялась аргоном, давление которого варьировалось в диапазоне от 0.3 до 30 Торр. Плазма создавалась ионизирующим лазерным импульсом интенсивностью ~ 51015 Вт/см2. Импульс накачки имел длительность 170 пс при спектральной ширине 14 нм. Затравочный усиливаемый импульс имел длительность 80 фс, спектр импульса идентичен спектру накачки и ионизирующего импульса. Энергия затравочного импульса менялась в диапазоне 0.1-1 мкДж, что соответствует максимальной интенсивности ~31013 Вт/см2.

Зависимость коэффициента усиления затравочного импульса от энергии в импульсе накачки для оптимальной задержки между усиливаемым импульсом и импульсом накачки приведена на рис. 11. Видно, что при максимальной энергии накачки максимальная величина коэффициента усиления составила ~130. На момент публикации этих результатов (2004 г.) это - максимальная цифра по усилению мощных фемтосекундных лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме.

Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления от энергии накачки. Точками и крестиками нанесены экспериментальные данные при давлении нейтрального аргона 0.3 Торр для двух различных значений задержки затравки относительно накачки, близких к оптимальной. Линиями представлены результаты численных расчетов для разных моделей опрокидывания.

Линиями на рисунке представлены результаты численных расчетов для разных моделей опрокидывания.

В третьем параграфе главы приведены результаты исследования продольной и поперечной структуры плазменной волны, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом, с помощью метода продольной фемтосекундной интерферометрии.

Электростатическое поле в сильной ленгмюровской волне может достигать уровня атомных полей (Ea ~ 500 ГВ/м), что значительно, на два-три порядка превосходит величины ускоряющих полей в обычных ускорителях. Поэтому ускорение заряженных частиц (прежде всего электронов) в плазменной волне привлекает повышенное внимание исследователей [39, 40].

В выполненных нами экспериментах диагностика плазменной волны осуществлялась по изменению фазы слабого пробного импульса, распространяющегося в поле плазменной волны следом за мощным фемтосекундным импульсом с регулируемой задержкой. Для гауссовой формы пробного импульса среднее по радиусу и проинтегрированное вдоль направления распространения лазерного излучения выражение для изменения фазы пробного импульса, приобретенной за счет плазменной волны, относительно распространения в вакууме, выглядит:

Здесь E - энергия лазерного импульса, re - классический радиус электрона, me c2 - энергия покоя электрона.

Для повышения чувствительности измерения амплитуды плазменной волны (так как фазовые сдвиги, вызываемые плазменной волной, составляют величину всего в несколько десятков миллирадиан в условиях эксперимента) использовался метод продольной спектральной интерферометрии, в котором два импульса следуют друг за другом со временем задержки между ними [41, 42]. Биения в спектре импульсов, возникающие в этом случае, позволяют поднять чувствительность метода.

На рис. 12 изображены осцилляции в плазменной волне в гелии при давлении газа p = 4.8 Торр и p = 2.7 Торр, что соответствует концентрации плазмы с учетом двойной ионизации гелия ne0 = 3см-3 и ne0 = 1.7см-3. Для давления p = 4.8 Торр задержка между пробными импульсами была фиксирована 2.2 пс. Импульс накачки с энергией 10 мДж располагался с задержкой 550 фс перед вторым пробным импульсом и сканировался по времени, удаляясь от второго пробного импульса с шагом в 13.3 фс. Для p = 2.7 Торр время между пробными импульсами устанавливалось равным полутора периодам плазменной волны и оба импульса следовали за импульсом накачки.

Рис. 12. Осцилляции плазменной волны в гелии. Для давления p=4.8 Торр задержка пробных импульсов между собой 2.2. пс, импульс накачки между пробными импульсами.

Для данных при давлении p=2.7 Торр (смещены по вертикали и по времени на -400 фс) пробные импульсы следуют за импульсом накачки с задержкой между ними 415 фс. Энергия в импульсе W 10 мДж. Сплошные кривые - расчетные значения фазового набега в плазменной волне. Данные для откачанной камеры (верхняя часть рисунка) смещены по вертикали.

Из экспериментальных данных, представленных на рис. 12, с учетом фокальной геометрии можно оценить максимальное изменение плотности плазмы в фокусе в плазменной волне как дn/n 0.8. Величина продольного электрического поля в плазменной волне, которое может быть использовано для ускорения электронов, оценивается по величине амплитуды осцилляций электронной концентрации в этом случае как E p= 10 ГВ/м, что находится в хорошем соответствии, как с аналитическими двумерными оценками, так и с релятивистским нелинейным двумерным численным моделированием.

В заключение перечислим основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Обнаружено, что при облучении образца из халькогенидного стекла As2S3 низкоинтенсивным излучением задающего генератора фемтосекундных импульсов на Ti:Sa (энергия в импульсе W1.5 нДж) в образце происходит образование структур из модифицированного вещества с субмикронными размерами. Время, за которое происходит образование микроструктур, обратно пропорционально квадрату энергии в лазерном импульсе, минимальное значение при максимальных энергиях оказалось меньше микросекунды (0.3 мкс). Предложена модель, основанная на двухфотонном поглощении лазерного излучения и последующем локальном нагреве материала образца, позволившая непротиворечивым образом объяснить весь имеющийся экспериментальный материал.

2. Экспериментально исследовано формирования наноструктур на поверхности металлических пленок под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии на зонд излучения фемтосекундного лазера. Продемонстрирована возможность образования на поверхности образцов углублений (кратеров) диаметром 20-100 нм и глубиной в несколько нанометров. Наноструктуры создавались в разных материалах, начиная с мягкого и легкоплавкого индия и кончая таким жестким и тугоплавким магнитным материалом, каким является FeCr. Определены пороги формирования наноструктур, изучена зависимость порогов появления наноструктур от поляризации и длительности лазерного импульса. Выполненный цикл экспериментальных исследований позволил установить, что основным механизмом образования структур на поверхности является механическое воздействие сильно нагретого лазерным излучением зонда при его термическом расширении.

3. При аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики продемонстрирована возможность формирования длинных каналов модифицированного вещества образца с поперечным размером порядка микрона и длиной до одного сантиметра, что может представлять интерес, например, для создания элементов интегральной оптики и т.д. В спектре прошедшего через область взаимодействия излучения обнаружено появление новых дискретных частотных компонент с длиной волны, меньшей длины волны интенсивного излучения. Предложен механизм генерации новых спектральных компонент, связанный с возбуждением мод в нелинейном плазменном волноводе, попадающих в синхронизм с импульсом накачки.

4. Экспериментально исследована временная динамика сильных (до 10 Гпа) ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в образцах из прозрачных диэлектриков. Для этого была разработана оригинальная одноимпульсная методика исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, основанная на применении частотно модулированных лазерных импульсов и обладающая высоким пространственным (~1мкм) и временным (~10пс) разрешением.

5. Экспериментально исследован высоковольтный разряд, инициированный плазменной филаментой, создаваемой в атмосферном воздухе интенсивными лазерными импульсами фемтосекундной длительности. Продемонстрировано трехкратное снижение порога возникновения инициированного разряда по сравнению с разрядом в невозмущенном воздухе. Показано, что время формирования инициированного разряда уменьшается почти на 3 порядка величины при увеличении приложенного напряжения в 2 раза. Построена расчетная модель разрядного процесса, адекватно описывающая экспериментальные результаты. В частности, расчет воспроизводит наблюдавшуюся в эксперименте резкую зависимость порога инициированного разряда от приложенного напряжения и характерные величины электрических полей, необходимых для пробоя в этом случае.

6. Обнаружен и исследован новый механизм сильного нелинейного поглощения фемтосекундного лазерного излучения при распространении в атмосфере, значительно превосходящего по величине поглощение более длинноимпульсного (наносекундного) излучения при одинаковой энергии лазерных импульсов. Построена модель нелинейного поглощения, основанная на неадиабатическом возбуждении вращательного движения молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением. Полученные результаты могут иметь большое значение при использовании интенсивного фемтосекундного излучения в атмосферных исследованиях.

7. Проведено экспериментальное исследование ионизационной трансформации спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре. Показано, что происходит значительное (в несколько раз) уширение исходного спектра при сдвиге "центра масс" в сторону коротких длин волн. Результаты численного моделирования качественно хорошо согласуются с экспериментом. Впервые экспериментально продемонстрировано сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа. Полученные результаты открывают путь к генерации ультракоротких лазерных импульсов с длительностью < 10 фс и энергией в десятки миллиджоулей.

8. Экспериментально продемонстрировано усиление фемтосекундных лазерных импульсов при вынужденном рамановском рассеянии в случае встречного распространения усиливаемого фемтосекундного импульса и частотно-модулированного широкополосного импульса накачки с той же несущей частотой в диэлектрических капиллярах, заполненных газовой плазмой. Достигнуты рекордно большие значения коэффициента усиления по спектральной интенсивности усиливаемого сигнала ~ 103 и по энергии выходного излучения ~ 102 . Выполненное численное моделирование демонстрирует хорошее согласие с экспериментом.

9. С использованием продольной спектральной интерферометрии были измерены колебания в плазменной волне, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом. Анализ экспериментальных данных позволил оценить возмущение относительной плотности электронов в плазменной волне как ~ 1 и продольное электрическое поле порядка E 10 ГВ/м, что находится в хорошем соответствии как с аналитическими двумерными оценками, так и с релятивистским нелинейным двумерным численным моделированием. Сильная фокусировка лазерного излучения позволила достичь нелинейных плазменных колебаний при умеренных субрелятивистских интенсивностях лазерного излучения. Использованная методика может быть использована как мощный инструмент контроля и мониторинга плазменных волн большой амплитуды, которые являются основой перспективных плазменных ускорителей заряженных частиц.

Литература, цитируемая в автореферате

1. Fork R.L., Green B.I., Shank C.V. “Generation of Optical Pulses Shorter Than 0. 1 Picoseconds by Colliding Pulse Modelocking”// Appl. Phys. Lett., v.38, p.671-672, 1981.

2. Fork R.L., Brito-Cruz C.H., Becker P.C., Shank C.V. “Compression of optical pulses to six femtoseconds by using cubic phase compensation” // Optics Lett., v.12, p.483, 1987.

...