авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Экспериментальное исследование нелинейных эффектов при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Степанов Андрей Николаевич

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

Специальность 01.04.21 – лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

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

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 (Chteau Montebello, Qubec, 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.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.