Введение к работе
Актуальность темы. Создание мощных фемтосекундных лазерных систем, позволяющих получать при фокусировке сверхинтенсивное излучение (> 1015 Вт/см2) и, соответственно, дающих возможность исследовать поведение вещества в условиях сверхсильного светового поля (Е~10 В/см), радикально изменило ситуацию в лазерной физике и нелинейной оптике и привело к появлению ряда новых направлешш. Благодаря использованию принципа усиления чирпированного лазерного импульса (УЧИ) в лазерной физике стало возможным изучение процессов, происходящих уже при "релятивистских" интенсивностях (1>101а Вт/см2). Однако сохраняется огромный интерес к углублешгому исследованию физических явлений, происходящих при "умеренных" интенсивностях, соответствующих режиму сверхсильного светового поля.
Для работы в диапазоне "умеренных" интенсивностей 1015-1016 Вт/см2 могут эффективно применяться фемтосекундные лазерные системы на красителях с накачкой усилительных каскадов излучением пикосекундной длительности. Ограничения на уровень выходной энергии этих систем связаны со следующими физическими процессами, протекающими в усилителях на красителях. С одной стороны, красители обладая большим сечением усиления, имеют сравнительно короткое время жизни возбужденного состояния (-1 не). Это приводит к высокому уровню энергии усиленной спонтанной люминесценции (суперлюминесценции), которая ограничивает коэффициент усиления и снижает контраст фемтосекундных лазерных импульсов, что неприемлемо для большинства экспериментов. С другой стороны, особенность усиления в усилителях на красителях связана с тем, что энергетическая схема молекулы красителя делает возможным поглощение из возбужденного состояния, что так же снижает КПД усилителей. Поэтому существует необходимость оптимизации усилителей на красителях с пикосекундной накачкой, особенно выходных каскадов, с учетом этих двух эффектов для достижения условий получения максимально возможных энергий и интенсивностей.
Если высококонтрастное фемтосекундное излучение источника сверхсильного поля сфокусировать на твердотельную мишень, то на ее поверхности при интенсивности больше 1015 Вт/см2 образуется тонкий
плазменный слой (~0,1 мкм), не успевающий разлететься за время воздействия импульса. Этот слой обладает высокой электронной температурой (>100 эВ) и высокой степенью ионизации, большим градиентом электрошюй плотности, а сама плазма является сильно неравновесной. В тоже время, несмотря на высокую плотность, плазма близка к идеальной. Из-за большого градиента плотности она обладает высокой эффективной оптической нелинейностью.
Взаимодействие лазерного излучения с мишенью сопровождается распространением тепловой волны вглубь вещества мишени. Теплопроводность является основным механизмом, ограничивающим температуру и задающим толщину плазменного слоя. После окончания фемтосекундного импульса, на пикосекундном масштабе времени, параметры плазмы (температура, плотность и т.д.), в основном, определяются сверхзвуковым (-107 см/сек) разлетом в вакуум. Таким образом, параметры высокотемпературной фемтосекундной плазмы быстро изменяются как во время воздействия мощного лазерного излучения на мишень так и после. Причем, характеристики плазмы также изменяются и по площади плазменного пятна. Так как при проведении экспериментов с высокотемпературной фемтосекундной плазмой для достижения максимально возможной интенсивности применяется "жесткая" фокусировка, то параметры плазмы сильно изменяются на масштабе, который может составлять величину порядка десяти микрон. Если учесть, что такая плазма является мощным источником рентгеновского излучения, а потенциально и гамма излучения, то изучение эволюции ее характеристик с фемтосекундным временным и микронным пространственным разрешением является важной задачей. Такую возможность предоставляют только оптические методы диагностики. Особый интерес представляют эксперименты с использованием двухимпульсной методики (накачка - зондирование), позволяющие определять параметры плазмы с пространственным и временным разрешением как во время, так и после окончания зажигающего импульса.
При диаметре фокального пятна в несколько микрон длина перетяжки лазерного пучка составляет десятки микрон. Это требует точного способа контроля фокусировки излучения на поверхность мишени.
Помимо контроля за параметрами плазмы важно уметь управлять ими. Это возможно не только изменяя характеристики излучения, но и применяя мишени со специально приготовленной объемной или поверхностной структурой. Использование таких мишеней в экспериментах при илтенсивностях 1015-1016 Вт/см2 позволяет добиваться тех же параметров плазмы, которые достигаются в случае использования обычных мишеней, но при значительно больших илтенсивностях. Создание и применение мишеней с периодическим рельефом поверхности открывает возможность возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Возбуждение ПЭВ связано с повышением коэффициента поглощения, уменьшением зеркального отражения падающего излучения и увеличением эффективной нелинейности плазмы и соответственно с возрастанием преобразования во вторую и более высокие гармоники, генерируемые на отражение.
Целью диссертационной работы явилось:
-
Оптимизация режима усиления выходного каскада усилителя на красителях с пикосекундной накачкой мощной фемтосекундной лазерной системы с учетом процессов суперлюминесценции и поглощения из возбужденного состояния с целью достижения интенсивности фемтосекундных импульсов свыше 1016 Вт/см2.
-
Разработка методики оптического зондирования для определения параметров высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с пространственным и временным разрешением.
-
Определение условий возможности возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы.
-
Исследование генерации второй гармоники на отражение в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме в том числе и в условиях резонансного возбуждения ПЭВ.
Научная новизна результатов. 1. По картине отражения и доплеровскому сдвигу частоты зондирующего излучения с пространственным разрешением 3-6 мкм и временным разрешением 200-300 фс исследована динамика коэффициента отражения и скорости разлета в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы, созданной на поверхности кварцевой мишени р-поляризованным фемтосекундным импульсом с интенсивностью 1=4 О15 Вт/см .
Зафиксирована динамика поперечной структуры отражения зондирующего излучения от расширяющейся в вакуум высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы на пикосекундном масштабе времени.
-
С пространственным и временным разрешением прослежена динамика развития периодической структуры в отражении зондирующего излучения от высокотемпературной фемтосекундной плазмы, созданной двумя интерферирующими световыми пучками с интенсивностью 1=1015 Вт/см2 каждый. Двумя сверхинтенсивными интерферирующими световыми пучками на поверхности кварцевой мишени создан периодический рельеф с периодом 4.5 мкм.
-
Техника генерации неколлинеарной второй гармоники на отражение от высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы позволила измерить длительность сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов.
-
Впервые экспериментально продемонстрирована возможность возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы как р-, так и s- поляризованным излучением накачки. Получено существенное возрастание преобразования во вторую гармонику на отражение в случае, когда выполнены условия резонансного возбуждения ПЭВ на границе плазма-вакуум по сравнению со случаем отстройки от резонанса.
Практическая цеігаость работы. Результаты исследований по оптимизации процесса усиления фемтосекундных импульсов в усилителе на красителе с продольной накачкой пикосекундной длительности могут найти применение при создании мощных фемтосекундных лазерных систем на красителях. Схема фемтосекундного микроскопа и используемые методики могут быть использованы при разработке лазерно-плазменных фемто-технологий. Результаты по генерации второй гармоники в условиях резонансного возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы могут найти применение при создании эффективного нелинейно-оптического преобразователя.
Защищаемые положения. 1. При воздействии лазерного импульса с интенсивностью -1015 Вт/см2 на пикосекундном масштабе времени в пространственной структуре
отражения зондирующего излучения от фемтосекундной лазерной плазмы возникает провал, связанный с пространственной неоднородностью таких параметров плазмы как длина разлета в вакуум и температура.
-
Измерение эффективности генерации второй гармоіпіки на отражение и рентгеновского излучения с энергией квантов больше 2.5 кэВ в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме являются прецизионными методами контроля фокусировки сверхинтенсивного лазерного излучения на мишень.
-
Генерация неколлинеарпой второй гармоники на отражение от высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы является методом измерения длительности сверхинтенеивных фемтосекундных лазерных импульсов, а также способом их временного совмещения на поверхности мишени.
-
На границе высокотемпературная фемтосекундная лазерная плазма-вакуум могут существовать поверхностные электромагнитные волны, о чем свидетельствует возрастание сигнала второй гармоники на отражение в условиях резонансного возбуждения ПЭВ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных конференциях: "Laser Optics" (St.Petersburg, Russia, 1993); "Ultrafast Processes in Spectroscopy" (Vilnius, Lithuania, 1993; Trieste, Italy, 1995); "International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (St.Petersburg, Russia, 1995; Moscow, Russia 1998); "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, Russia, 1995); "Ultrafast Phenomena" (San-Diego, USA, 1996; Garmisch-Partenkirchen, Germany 1998); "Superstrong Fields in Plasmas" (Varenna, Italy 1997).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 126 наименований, содержит 107 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 1 таблицу.
