WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В параграфе 2.2 описаны использованные в работе методики измерения пространственного качества лазерного пучка, длительности лазерного импульса, контраста на нано- и пикосекундных масштабах времени. Так, контраст в наносекундном временном интервале определяется импульсом с временной отстройкой 13 нс и относительной амплитудой 2,510-7, а на пикосекундном интервале – рядом импульсов, максимальный по амплитуде из которых отстоит от основного импульса на 7 пс и имеет относительную амплитуду 510-4. Уровень усиленной спонтанной люминесценции не превышает 10-7 на наносекундном и 10-на пикосекундном масштабах времени. Параметр качества излучения M2=1,8±0,3.

В параграфе 2.3 проведено описание созданной в рамках данной работы вакуумной системы, включающей в себя компрессор лазерного излучения, а также вакуумную камеру взаимодействия с дифференциальной откачкой. Схема данной вакуумной системы представлена на рисунке 1.

5 Рис. 1 Вакуумированная система для компрессии, диагностики и фокусировки фемтосекундного излучения лазерной установки на основе кристалла Ti:Sa.

(1-камера компрессора, 2-промежуточная камера, 3-камера взаимодействия, 4-дифференциальная откачка, 5-шибер, 6-внеосевое параболическое зеркало, 7-мишень, 8,9 – детекторы ФЭУ, 10-спектрометр, 11-дифракционные решетки, 12-зеркало, 13-промежуточное зеркало) Чирпированный усиленный лазерный импульс попадает в камеру компрессора 1. В компрессоре осуществляется сжатие импульса до длительности ~50 фс. Далее излучение попадает в промежуточную камеру 2. При помощи поворотного зеркала 13 имеется возможность вывода лазерного излучения из вакуумной системы. Часть -8выведенного излучения используется для оценки длительности импульса при помощи автокоррелятора второго порядка. Из промежуточной камеры излучение попадает в камеру 3, в которой осуществляется взаимодействие лазерного излучения с мишенью 7 при фокусировке внеосевым параболическим зеркалом 6.

Угол падения излучения на мишень – 45о.

В параграфах 2.4 и 2.5 описаны методики оценки средней энергии горячего электронного компонента (двухдетекторная методика, оценка величины средней энергии по выходу рентгеновского излучения в различные спектральные диапазоны, оценка средней энергии горячих электронов в диапазоне 0,05 – 1 МэВ в одноквантовом режиме), используемые в проводимых экспериментах. Также описаны методики фокусировки лазерного излучения на поверхность твердотельной мишени при использовании безаберрационного объектива и внеосевого параболического зеркала и проведены оценки диаметров получаемых фокальных пятен. Изображение пятна фокусировки, полученного при использовании внеосевого параболического зеркала, представлено на рисунке 2.

1,FWHM=332 мкм 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-200 0 200 400 600 800 X, мм (а) (б) Рис. 2 Увеличенное изображение пятна фокусировки на мишени (а) и распределение интенсивности в поперечном сечении этого изображения (б) Оценка диаметра Df пятна фокусировки дает значение:

fmirror Df Di 3,50,1мкм f где fmirror – фокусное расстояние зеркала, Di – диаметр изображения фокального пятна. При энергии, содержащейся в одиночном лазерном импульсе в J=10 мДж, длительности лазерного импульса =50 фс оценка на величину пиковой интенсивности лазерного излучения дает:

4J I R 1018 Вт/см2.

d-9Амплитуда, отн.ед.

с учетом оценки количества энергии в пятне фокусировки (=0,56), а также коэффициента отражения применяемого алюминиевого внеосевого параболического зеркала R=0,8.

В параграфе 2.6 представлены результаты экспериментов по оценке пиковой 55±12 кэВ интенсивности лазерного излучения путем измерения характеристического спектра 100 рентгеновского излучения лазерной плазмы, а также оценки средней энергии 139±12 кэВ 10 горячего электронного компонента (Ep=140 кэВ, рис. 3). В нашем случае 50 150 250 350 Энергия, кэВ оценка наинтенсивность лазерного излучения, исходя из формулы для Рис. 3 Гистограмма распределения пондеромоторного потенциала рентгеновских квантов по энергии в диапазоне 0,05-0,46 МэВ.

= 1 + - 1, дает значение пиковой интенсивности ~1018 Вт/см2.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию влияния линейной поляризации и наносекундного предымпульса лазерного излучения на его взаимодействие с твердотельными мишенями при субрелятивистских интенсивностях. В параграфах 3.3.1 и 3.3.2 представлены результаты исследования влияния предымпульса на наносекундном масштабе времени и направления линейной поляризации лазерного излучения на эффективность генерации жесткого рентгеновского излучения лазерной плазмы и среднюю энергию ее горячих электронов. На протяжении всех экспериментов энергия в импульсе составляла 2 мДж. Наносекундный контраст лазерного излучения принудительно изменялся во время эксперимента в диапазоне 2,510-2 – 2,510-7. Угол падения лазерного излучения на мишень составлял 45.

Показано, что при интенсивности порядка 21017 Вт/см2 средняя энергия горячих электронов слабо зависит от направления линейной поляризации лазерного излучения и величины наносекундного контраста при частоте следования лазерных импульсов 1 и 10 Гц для обоих типов мишеней (рис. 4). Зависимость средней энергии горячей электронной компоненты от направления линейной поляризации лазерного излучения проявляется при интенсивностях ниже 51016 Вт/см2 для обоих типов мишеней.

В параграфе 3.3.3 представлены зависимости средней энергии горячих электронов от интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1015-1017 Вт/см2, а также от величины наносекундного предымпульса в диапазоне 2,510-2–2,510-7.

-10Интенсивность, отн.ед.

Эксперименты выполнены на непрозрачной и прозрачной мишенях (кремний и кварцевое стекло) с близкой атомной массой.

5 SiO2 контраст 10-4 P поляризация ~14,3±1,3 S поляризация 2 ~11,2±1,~14,7±0,Si контраст 2,5x10-~11,8±0,P поляризация 1 S поляризация 10 12 14 16 18 10 12 14 16 18 ( а ) ( б ) Уровень энергии, кэВ Уровень энергии, кэВ Рис. 4 Выход рентгеновского излучения в различные спектральные диапазоны и оценка средней энергии горячей электронной компоненты для мишеней Si и SiOпри значении наносекундного контраста лазерного излучения 10-2 и 2,510-7 для P- и S- поляризации.

В диапазоне интенсивностей 1015-1016 Вт/см2 при P-поляризованном лазерном излучении с наносекундным контрастом 2,5х10-7 зависимость средней энергии E горячих электронов от интенсивности I лазерного излучения разумно соответствует режиму резонансного поглощения и связано с созданием холодной предплазмы пикосекундным предымпульсом. При дальнейшем росте интенсивности до 1017 Вт/см2 данная зависимость изменяется для обоих мишеней (рис. 5), что может быть связано с возрастанием роли предымпульса, интенсивность которого становится существенно выше порога пробоя как для прозрачной мишени (кварцевое стекло) так и для поглощающей мишени (кремния). На это также указывает тот факт, что величина интенсивности, при которой наступает «перелом» в зависимости средней энергии от интенсивности несколько меньше для поглощающей мишени, чем для прозрачной.

P поляризация P поляризация S поляризация 14 S поляризация Si контраст 2,5x10-7 12 SiO2 контраст 2,5x10-~0.14±0.~0.35±0.02 ~0.19±0.8 ~0.30±0.~0.40±0.4 ~0.40±0.1 10 1 10 ( б ) ( а ) Интенсивность х1015, Вт/смИнтенсивность х1015, Вт/смРис.5 Средняя энергия горячих электронов в зависимости от интенсивности лазерного излучения для мишеней Si (а) и SiO2 (б) -11--Эффективность, 10 отн.ед.

Эффективность, 10 отн.ед.

Средняя энергия, кэВ Средняя энергия, кэВ В параграфе 3.3.4 изучается зависимость средней энергии от величины наносекундного контраста P-поляризованного излучения при интенсивности 1017Вт/см2.

16 14 12 10 8 6 мишень SiOмишень Si 4 P поляризация P поляризация 2 S поляризация S поляризация 0 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-( а ) ( б ) Наносекундный контраст Наносекундный контраст Рис. 6 Зависимость средней энергии горячих электронов от наносекундного контраста лазерного излучения для мишеней Si (а) и SiO2 (б) при интенсивности 21017 Вт/смКак видно из графиков, средняя энергия горячих электронов в случае мишени из кварцевого стекла, слабо зависит от наносекундного контраста лазерного излучения.

При этом значения средней энергии горячих электронов для кварцевого стекла практически совпадают с этими же значениями для кремния при высоком контрасте лазерного излучения. В свою очередь, с понижением контраста, средняя энергия горячих электронов для кремния падает. Совпадения средней энергии горячих электронов для кремния и кварцевого стекла при высоком контрасте лазерного излучения определяют одинаковость механизмов формирования горячего электронного компонента.

В четвертой главе диссертационной работы представлены результаты экспериментов по взаимодействию лазерного излучения релятивистской интенсивности (~1018 Вт/см2) с твердотельной мишенью вольфрама. В параграфах 4.2 и 4.3 показано, что при воздействии на плотную мишень такого излучения с контрастом по энергии ~10-2, происходит существенное возрастание средней энергии ускоряемых электронов по сравнению со случаем высокого ~10-контраста. Кроме того, представлены экспериментальные зависимости средней энергии горячих электронов в диапазоне 0,1 – 1 МэВ от величины интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1017-1018 Вт/см2 при различных значениях наносекундного контраста лазерного излучения (рис. 7).

Был обнаружен эффект двукратного увеличения средней энергии горячих электронов при ухудшении наносекундного контраста лазерного излучения от 2,510-7 до 210-3 и интенсивности основного импульса порядка 1018 Вт/см2.

Наблюдаемое существенное увеличение средней (и максимальной) энергии электронов может быть связано как с релятивистской самофокусировкой излучения, -12Средняя энергия, кэВ Средняя энергия, кэВ так и с лазерно-плазменным ускорением электронов в протяженной разлетающейся плазме, создаваемой предымпульсом.

Энергия лазерного импульса, мДж 2 4 6 8 10 12 14 2E-2,5E-~0.~0.2 4 6 8 10 12 14 10-6 10-5 10-4 10-3 10-( а ) ( б ) Интенсивность, x1017 Вт/смНаносекундный контраст Рис. 7 Зависимости средней энергии электронов: а) от интенсивности лазерного излучения (сплошная линия – аппроксимация полученной зависимости средней энергии горячих электронов) при контрасте лазерного излучения 2,510-7, и (б) от контраста при интенсивности лазерного излучения 1018 Вт/см2.

Увеличение средней энергии горячих электронов может быть связано с релятивистской самофокусировкой или возбуждением продольных волн электронной плотности (лазерно-плазменным ускорением электронов).

Релятивистская самофокусировка лазерного излучения в плазме с докритической плотностью происходит при условии, что мощность излучения Pl превышает критическую мощность самофокусировки Pcr:

= 17 ГВт.

Максимальная пиковая мощность излучения в нашем эксперименте составляет 31011 Вт и существенно превышает критическую. В случае большой амплитуды предымпульса пространственный масштаб градиента плазмы L~100-200 мкм оказывается сравнимым с длиной перетяжки лазерного пучка (около 100 мкм).

Диаметр лазерного пучка, формирующегося при релятивистской самофокусировке dsf определяется плотностью плазмы ne =.

Оценки показывают, что на расстоянии в ~10L от мишени диаметр сфокусированного пучка d становится порядка dsf. По мере приближения к мишени и, соответственно, увеличения плотности плазмы, диаметра пучка за счет релятивистской самофокусировки может уменьшаться и стремиться к текущему значению dsf(ne). Минимума в 0,5 мкм величина dsf достигает при ne~nc, а интенсивность в этих условиях может возрасти до 91019 Вт/см2. В случае высокого наносекундного контраста масштаб L определялся пикосекундным контрастом и составлял 0,1-1 мкм. Очевидно, что в этом случае релятивистская самофокусировка не успевает развиться и уменьшения диаметра пучка не происходит.

-13Энергия, кэВ Энергия, кэВ Лазерно-плазменное ускорение электронов обычно реализуется при значительно больших, чем в нашем эксперименте, энергиях лазерного излучения и интенсивностях в 1018-1019 Вт/см2. В первую очередь большая энергия в импульсе необходима для обеспечения больших длин ускорения электронов. В то же время ускоряющее поле Emax зависит именно от интенсивности лазерного излучения:

0.4,.

где максимальное поле (В см) =0.96 (ne в см-3), а безразмерный вектор.

потенциал поля есть = 0.86. Максимальная энергия, которую может набрать электрон на половине длины перетяжки в наших условиях составляет 2,4 МэВ при энергии лазерного излучения в 15 мДж и линейно уменьшается с уменьшением энергии импульса.

В пятой главе диссертационной работы обсуждается возможность эффективной генерации в плазме излучения К-линии иона с определенной кратностью ионизации. В параграфе 5.2 представлены результаты расчета изменения потенциалов ионизации К-оболочки ионов алюминия и титана в зависимости от кратности ионизации (рис.8а). В параграфе 5.4 приведены результаты численного расчета динамики алюминиевой и титановой плазмы, образованных при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения умеренной интенсивности с конденсированными мишенями, на основе которого определены моменты образования максимального числа ионов с заданной кратностью ионизации (рис.8б).

Nmax2, tmax2 Elaser=1 мДж Титан tlaser=200 фс I=4*1015 Вт/смNmax1, tmax0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0,2 0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,( а ) Z ( б ) t, пс Рис. 8 Энергия К линии ионов титана в зависимости от кратности ионизации (а) и временная зависимость количества ионов алюминия N с зарядом 7,5

В заключении к диссертации приводятся основные результаты работы.

Pages:     | 1 || 3 |






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