WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Михайлова Юлия Михайловна ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И АТТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМИ МИШЕНЯМИ И ТОНКИМИ ПЛЕНКАМИ Специальность 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Платоненко Виктор Трифонович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Черепенин Владимир Алексеевич доктор физико-математических наук Урюпин Сергей Александрович

Ведущая организация: Московский физико-технический институт

Защита состоится 23 ноября 2006 г. в 16 00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, КНО, аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 23 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физ.-мат. наук, доцент Т.М. Ильинова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одним из наиболее значительных достижений современной оптики безусловно является внедрение в экспериментальную практику компактных источников сверхкоротких световых импульсов с интенсивностями более 1018Вт/см2 [1]. На основе концепции параметрического усиления чирпированных импульсов в настоящее время получены лазерные импульсы с рекордными значениями мощности (до десятков тераватт [2,3]) при рекордно высоком значении контраста импульса (5·1011 по интенсивности [4]) и ультракороткой длительности, включающей только несколько оптических колебаний [2]. Развитые технологии достижения высокого пространственного качества лазерного пучка с помощью деформируемых зеркал позволяют фокусировать мощное излучение в пятно диаметром несколько микрон и обеспечивают, таким образом, интенсивности порядка 1022Вт/см2 [5]. Для характеристики интенсивности сверхсильного лазерного излучения удобно использовать безразмерный параметр a = eE mc0, где e,m – заряд и масса электрона, E, 0 – амплитуда электрического поля световой волны и несущая частота, с – скорость света. При этом интенсивность светового поля можно выразить как I=a2Iрел, где Iрел = с/8·(mc0/e)2 1.37·1018·([мкм])-Вт/см2 – релятивистская интенсивность. При этой интенсивности амплитудное значение кинетической энергии электрона, который до взаимодействия с лазерным полем был неподвижен, достигает значения mc2/2. Развитие техники генерации высокоинтенсивных лазерных импульсов сделало возможным проведение лабораторных экспериментов по взаимодействию излучения с веществом в субрелятивистском (а порядка 0.1) и релятивистском (а порядка и более 1) режимах. Передовые лазерные технологии позволяют надеяться на скорое осуществление подобных экспериментов в ультрарелятивистском ( a >> 1) режиме.

Взаимодействие мощных сверхкоротких лазерных импульсов с плазмой, формирующейся на поверхности конденсированных мишеней, является в настоящее время предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение свойств вещества в экстремальном состоянии и создание эффективных компактных источников высокоэнергетичных – быстрых – частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов. Взаимодействие интенсивного ультракороткого высококонтрастного лазерного импульса с закритической плазмой, индуцированной передним фронтом импульса и обладающей резким профилем плотности, приводит к формированию наиболее коротких импульсов рентгеновского излучения (как когерентного, так и некогерентного) и ионов с наибольшими энергиями.

Лазерно-плазменная генерация быстрых частиц открывает оптике пути в традиционные прикладные сферы ядерной науки и физики высоких энергий, наиболее актуальной из которых является терапия раковых заболеваний с использованием пучков быстрых протонов.

Формирование высокоэнергетичных электронов в лазерно-индуцированной плазме является важнейшим элементом технологии быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза.

Успех этих и многих других приложений во многом зависит от понимания механизмов разогрева частиц в закритической плазме с резкой границей. Очень важен вопрос о направлении распространения быстрых электронов и ионов и их пространственных распределениях. Движение быстрых электронов у поверхности и внутри мишени порождает различные как коллективные когерентные (возникновение амбиполярного поля, генерация гармоник высокого порядка), так и столкновительные некогерентные (тормозное излучение рентгеновских волн) явления.



В субрелятивистском режиме взаимодействия света с приповерхностной плазмой существеннейшим препятствием для формирования и разогрева быстрых электронов является низкая эффективность поглощения света в плотной высокотемпературной плазме.

При интенсивностях лазерного импульса свыше 1016 Вт/см2 (но ниже 1018 Вт/см2) большая часть энергии падающего излучения отражается от плотной плазмы. Для повышения эффективности поглощения применяют тонкие пленки, а также мишени различного атомного состава и различной объемной и поверхностной структуры. Увеличение эффективности разогрева плазмы можно обеспечить путем модификации приповерхностного слоя плотной мишени. В экспериментах по облучению мишеней из высокопористого кремния [6-8] было зарегистрировано существенное повышение эффективности генерации жесткого некогерентного рентгеновского излучения по сравнению с однородными мишенями. Теоретическое объяснение увеличения эффективности поглощения субрелятивистских фемтосекундных лазерных импульсов в высокопористых мишенях необходимо для целого ряда практических приложений, а также представляет самостоятельный интерес для исследования механизмов поглощения света в плазме твердотельной плотности.

Получение аттосекундных (с длительностью в диапазоне 10-18–10-15 с) импульсов (АИ) электромагнитного излучения – одна из актуальных задач лазерной физики и нелинейной оптики [9]. Объект пристального внимания фундаментальной науки, АИ представляют значительный интерес как наиболее чувствительный инструмент диагностики сверхбыстрых процессов [10], позволяющий исследовать динамику электронов в атомах и молекулах с субнанометровым и субфемтосекундным разрешением. К настоящему времени, теоретически проанализированы и экспериментально реализованы методы получения АИ, основанные на генерации когерентного коротковолнового излучения при ионизации и последующей рекомбинации атомов в интенсивных лазерных пучках [11,12]. В эксперименте получены как цуги АИ [13], так и одиночные аттосекундные вспышки электромагнитного излучения [11,14]. К сожалению, эффективность генерации коротковолнового излучения атомами ограничена и очень мала даже при обеспечении условий фазового согласования. В связи с созданием лазерных систем, генерирующих поля с интенсивностью вплоть до 1022Вт/см2 [1], особенно актуальным становится иной путь получения широкого спектра когерентного излучения (и, тем самым, короткого импульса), обеспечивающий высокую эффективность нелинейно-оптического преобразования, -- нелинейное взаимодействие сверхсильного светового поля с закритической плазмой [15].

Аналитическое описание взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с плотной, в том числе пространственно неоднородной плазмой чрезвычайно сложно и до сих пор не проводилось, в то же время эффективными в данном контексте являются методы численного моделирования. В настоящей работе проведены численные исследования взаимодействия мощных сверхкоротких световых импульсов с плазмой, образующейся на поверхности конденсированных, в том числе нанопористых, мишеней и в тонких пленках. Для этого применялся метод частиц в ячейках (particle-in-cell) [16-20], усовершенствованный с целью учета кулоновских столкновений между частицами, что особенно важно в режиме субрелятивистских интенсивностей света.

1. G.A. Mourou, T. Tajima, S.V. Bulanov, Optics in the relativistic regime, Rev. Mod. Phys. 78, 309 (2006) 2. N. Ishii, L. Turi, VS Yakovlev, T. Fuji, F. Krausz, A. Baltuka, R. Butkus, G. Veitas, V.

Smilgevicius, R. Danielius, A. Piskarskas, Multimillijoule Chirped Parametric Amplification of Few Cycle Pulses, Opt.Lett. 30, 567(2005) 3. В.В. Ложкарев, С.Г. Гаранин, Р.Р. Герке, В.Н. Гинзбург, Е.В. Катин, А.В. Кирсанов, Г.А.

Лучинин, А.Н. Мальшаков, М.А. Мартьянов, О.В. Палашов, А.К. Потемкин, Н.Н.

Рукавишников, А.М. Сергеев, С.А. Сухарев, Е.А. Хазанов, Г.И. Фрейдман, А.В. Чарухчев, А.А. Шайкин, И.В. Яковлев, 100-тераваттный фемтосекундный лазер на основе параметрического усиления, Письма в ЖЭТФ, 82,196 (2005), 4. H. Kiriyama, N. Inoue, Y. Akahane, K.Yamakawa, Prepulse-free, multi-terawatt, sub-30-fs laser system, Opt. Express, 14, 438 (2006) 5. S.-W. Bahk, P. Rousseau, T. A. Planchon, V. Chvykov, G. Kalintchenko, A. Maksimchuk, G.

A. Mourou, V. Yanovsky, Generation and characterization of the highest laser intensities (1022W/cm2), Opt. Lett., 29, 2837(2004) 6. Р.В. Волков, В.М. Гордиенко, М.С. Джиджоев, Б.В. Каменев, П.К. Кашкаров, Ю.В.

Пономарев, А.Б. Савельев, В.Ю. Тимошенко, А.А. Шашков, Генерация жесткого рентгеновского излучения при облучении пористого кремния сверхинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, Квантовая электроника, 25, 3 (1998).

7. T. Nishikawa, H. Nakano, N. Uesugi, M. Nakao, H. Masuda, Greatly Enhanced Soft X-Ray Generation from Femtosecond-Laser-Produced Plasma by Using a Nanohole-Alumina Target, Appl. Phys. Lett., 75, p. 4079(1999) 8. T. Nishikawa, H. Nakano, K. Oguri, N. Uesugi, M. Nakao, K. Nishio, H. Masuda, Nanocylinder-array Structure Greatly Increases the Soft X-Ray Intensity Generated from Femtosecond-Laser-Produced Plasma, Appl. Phys. B, 73, 185 (2001).

9. P. Agostini, L.F. DiMauro, The physics of attosecond light pulses, Rep.Prog.Phys. 67, (2004) 10. M. Hentschel, R. Kienberger, Ch. Spielmann, G. A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P.

Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz, Attosecond metrology, Nature 414, 509 (2001) 11. M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger, M. Uiberacker, V. Yakovlev, A. Scrinzi, U.

Kleineberg, U.Heinzmann, and F. Krausz, Time-resolved atomic inner-shell. spectroscopy, Nature 419, 803 (2002) 12. Y. Mairesse, A. de Bohan, L. J. Frasinski, H. Merdji, L.C. Dinu, P. Monchicourt, P. Breger, M.

Kovaev, B. Carre, H.G. Muller, P. Agostini, P. Salieres, Attosecond Synchronisation of HighHarmonic Soft X-Rays, Science; 302, 1540 (2003) 13. P.M. Paul, E.S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Auge, Ph. Balcou, H.G. Muller, P. Agostini, Observation of a Train of Attosecond Pulses from High Harmonic Generation, Science 1689 (2001) 14. Y.Mairesse, F. Quere, Frequency-Resolved Optical Gating for Complete Reconstruction of Attosecond Bursts, Phys. Rev. A 71, 011401(R) (2005) 15. P. Gibbon, Harmonic generation by femtosecond laser-solid interaction: A coherent waterwindow light source, Phys. Rev. Lett. 76, 50 (1996) 16. Ч. Бэдсел, А. Лэнгдон, Физика плазмы и численное моделирование: Пер. с англ. – M.:

Энергоатомиздат, 1989. – 452с.; Charles К. Birdsall, A. Bruce Langdon, Plasma physics via computer simulation. -- NewYork: McGraw-Hill, 1985.

17. Р. Хокни, Дж. Иствуд, Численное моделирование методом частиц: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 638 с.; R.W. Hockney, J.W. Eastwood, Computer simulation using particles. -- NewYork: McGraw-Hill, 1981.

18. Ю.Н. Григорьев, В.А. Вшивков, М.П. Федорук, Численное моделирование методами частиц-в-ячейках. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. – 360с.

19. A. Pukhov, Strong field interaction of laser radiation, Rep.Prog.Phys.66, 47(2003) 20. J.P. Verboncoeur, Particle simulation of plasmas: review and advances, Plasma Phys. Control.

Fusion, 47, 231(2005) Цели работы:

1. Исследование генерации быстрых электронов при облучении плотных сред фемтосекундными импульсами в субрелятивистском и релятивистском режимах взаимодействия. Изучение пространственных распределений электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме фемтосекундными импульсами субрелятивистской и релятивистской интенсивности. Исследование влияния жесткой фокусировки пучка на генерацию быстрых электронов.

2. Исследование поглощения короткого светового импульса в плазме твердотельной плотности и влияния пористой структуры мишени на эффективность ее разогрева в субрелятивистском режиме взаимодействия. Оценка вкладов различных механизмов разогрева электронов плазмы и поиск новых механизмов.

3. Исследование возможности получения изолированных (во времени) аттосекундных рентгеновских импульсов при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с тонким плазменным слоем твердотельной плотности. Изучение возможности генерации одиночных АИ в плосковолновой геометрии и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.

Научная новизна 1. Предложена схема генерации аттосекундных рентгеновских импульсов при воздействии сверхкоротким высокоинтенсивным лазерным импульсом на плотную плазму с резким профилем плотности. Показано, что скачкообразное разрушение плазменного слоя в процессе взаимодействия сверхкороткого ультрарелятивистского лазерного импульса с тонкой (по сравнению с длиной волны света) свободновисящей пленкой обусловливает возможность эффективной генерации одиночных аттосекундных рентгеновских импульсов как в плосковолновой геометрии, так и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.

2. Продемонстрировано увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме с наномасштабными неоднородностями по сравнению с эффективностью поглощения света в плоской мишени. Показано, что ключевую роль в возрастании температуры и количества «быстрых» электронов играет рост эффективной частоты необратимых процессов взаимодействия быстрых электронов с неоднородным электромагнитным полем вблизи неоднородностей, т.е. увеличение частоты столкновений электронов с поверхностью вещества.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»