Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс лазерной физики привел к созданию источников сверхсильных полей, пиковая напряженность электрического поля F0 которых сравнима или превышает напряженность внутриатомного поля Fat = 5.14-10 В/см. Получаемые импульсы излучения имеют длительность фемтосекундного диапазона (вплоть до нескольких периодов излучения) и пиковую интенсивность /0>/а1=3.5-10|6Вт/см2. Экспериментальные работы с использованием сверхсильных лазерных полей (ССЛП) открыли совершенно новую физику взаимодействия излучения с веществом. Активно исследуются генерация гармоник высокого порядка (ГГВП), некаскадная ионизация многоэлектронных атомов, энергетические и угловые распределения фотоэлектронов в туннельном режиме ионизации, другие процессы. Все эти эффекты связаны с явлением надпороговой ионизации атомов, открытым в конце 70- годов. Это явление состоит в том, что в процессе эволюции фотоэлектронов в континууме они продолжают набирать энергию от лазерного поля. Таким образом, исследуемые в экспериментах аспекты взаимодействия атомов с ССЛП определяются не столько особенностями акта ионизации, сколько последующим движением фотоэлектронов в области их взаимодействия с лазерным полем и атомным остатком.
Строгое аналитическое описание всех особенностей такого взаимодействия чрезвычайно затруднено, поскольку для решения соответствующей задачи необходимо рассматривать трехмерное
нестационарное уравнение Шредингера, гамильтониан взаимодействия в котором должен учитывать неоднородность лазерного излучения. Численное решение такого уравнения требует огромных вычислительных затрат даже при использовании суперЭВМ и дает результаты, физическая интерпретация которых весьма затруднительна (в этом смысле подобный численный эксперимент можно сравнить с реальным). Это приводит к необходимости создания приближенных теорий, которые применимы в той или иной области параметров лазерной накачки. Такие теории должны включать в себя описание как элементарного акта ионизации, так и эволюции фотоэлектронов в континууме. В случае, когда ионизация носит туннельный характер, взаимодействие атомов со сверхсильным лазерным полем может быть описано в рамках полуклассического подхода. Однако в существующем виде сам подход применим лишь в области сравнительно небольших интенсивностей накачки Io«ht- Диссертационная работа посвящена развитию полуклассической теории взаимодействия атомов со сверхсильным лазерным полем, которая позволит рассматривать импульсы лазерного излучения с интенсивностью /о ~ hb
С точки зрения практических приложений, интерес к этой проблеме связан с возможностью создания новых лазерных технологий, использующих когерентное излучение с малой длиной волны (в том числе и рентгеновского диапазона). Получить такое излучение можно путем эффективной генерации атомами оптических гармоник с высокими номерами. В связи с этим большой интерес представляет вопрос о минимальной длине волны, которая может быть
5 эффективно получена в экспериментах по генерации гармоник атомами при лазерной накачке.
Цели диссертационной работы
-
Развитие квантово-механической теории генерации высоких гармоник атомами в сверхсильном лазерном поле, учитывающей истощение атомных состояний, а также влияние релятивистских эффектов и кулоновского электрон-ионного взаимодействия на движение квазисвободного фотоэлектрона в континууме.
-
Исследование принципиальных ограничений эффективности генерации и максимальной частоты ГВП, а также разработка методов повышения этих параметров за счет использования полей сложной структуры.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые предложена квантово-механическая модель, позволяющая рассматривать взаимодействие атомов с излучением, обладающим предельными параметрами: пиковой интенсивностью /0~ 1015- 1019 Вт/см2 и длительностью импульса порядка нескольких оптических периодов. Модель впервые позволяет учесть релятивистские эффекты и кулоновское взаимодействие при движении фотоэлектрона в континууме, а также описать процесс туннельной ионизации вне рамок теории возмущений. Особое внимание в работе уделено процессу генерации гармоник высокого порядка.
Предлагается использовать бихроматические лазерные поля для повышения эффективности генерации когерентного коротковолнового излучения атомами в процессе надпороговой туннельной ионизации. Впервые показано, что при использовании излучения мощного С02-лазера в сочетании с излучением с длиной волны ~ 1 мкм возможно увеличение максимальной частоты генерации до трех раз. При определенных значениях интенсивности излучения С02-лазера обнаружена многоярусная структура высокочастотного края спектра генерируемого излучения. Дана интерпретация этого эффекта в рамках полуклассической модели.
Исследованы особенности ГГВП многозарядными ионами в лазерных полях релятивистской интенсивности. Показаны существенная модификация спектров и уменьшение эффективности ГГВП вследствие релятивистского дрейфа фотоэлектронов. Впервые предложено использование сверхинтенсивной стоячей электромагнитной волны для увеличения эффективности ГГВП. Исследованы предельные возможности такого метода генерации.
Показана возможность генерации одиночного аттосекундного импульса при ГГВП в условиях надбарьерной ионизации атома.
Научная и практическая ценность работы
Научная ценность работы определяется развитыми в ней представлениями о механизме взаимодействия атомов с ССЛП. Особенности сверхсильного поля позволили построить квантовомеханическую модель
7 такого взаимодействия, допускающую наглядную физическую интерпретацию. Практическая же значимость работы определяется тем, что в ходе численных расчетов проанализированы условия, при которых возможно экспериментальное наблюдение новых эффектов, предсказанных в рамках предлагаемой модели. Показана возможность управления параметрами генерируемого излучения при использовании лазерного излучения сложной конфигурации. В частности, показана возможность существенного повышения эффективности ГГВП за счет использования бихроматических лазерных полей. Кроме того, показана возможность частичной компенсации релятивистского дрейфа фотоэлектронов (и возникающего в связи с этим подавления ГГВП) при использовании стоячей электромагнитной волны.
Защищаемые положения
-
Предложенная квантовомеханическая модель генерации гармоник высокого порядка атомами в сверхсильных лазерных полях позволяет рассматривать этот процесс при большой (в том числе релятивистской) интенсивности накачки.
-
При добавлении постоянного электрического поля к лазерной накачке возможно существенное повышение максимальной частоты генерируемого излучения за счет увеличения энергии и количества рекомбинирующих электронов. В полях такой конфигурации спектр гармоник имеет многоярусную структуру.
-
Предложенная схема ГГВП с использованием двухцветных лазерных полей позволяет существенно (до трех раз) увеличить максимальную генерируемую частоту. Реализация этой схемы возможна при использовании излучения мощного СОг-лазера и лазера с длиной волны ~ 1 мкм.
-
При использовании лазерного излучения релятивистской интенсивности происходит уменьшение интенсивности ГГВП за счет продольного смещения фотоэлектронов. Установлен критерий на параметры накачки, при которых проявляется этот эффект. Компенсация этого эффекта возможна при ГГВП в стоячей волне.
-
При ГГВП в условиях надбарьерной ионизации атома возможна генерация одиночного аттосекундного импульса за счет опустошения основного состояния.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов "Ленинские горы'95" (Россия, Москва, 1995); 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Санкт-Петербург, 1995); Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов'96" (Россия, Москва, 1996); Quantum Electronics and Laser Science Conference (USA, CA, Anaheim, 1996); XV конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Россия, Звенигород, 1996); Конференции молодых ученых по лазерной физике и теории
9 нелинейных волн, посвященная 70-летию академика Р. В. Хохлова (Россия, Москва, 1996); Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов'97" (Россия, Москва, 1997); 16-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Москва, 1998); XVI конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Россия, Москва, 1998); конференции Научная сессия МИФИ-99 (Россия, Москва, 1999); Ist Euroconference "Ultraintense Laser Interactions and Applications" (Elounda, Greece, 1999); 8th Conference on Applications of High Field and Short Wavelength Sources, (Potsdam, Germany, 1999); 8th Annual International Laser Physics Workshop (Budapest, Hungary, 1999); конференции Научная сессия МИФИ-2000 (Россия, Москва, 2000); 2nd Euroconference Ultraintense Laser Interactions and Applications (Pisa, Italy, 2000); конференции Научная сессия МИФИ-2001 (Россия, Москва, 2001); 8th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and Their Interaction With Electromagnetic Radiation", April 14-15, 2010, A.M.Prokhorov General Physics Institute, Moscow, Russia; International Conferences on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) and Lasers, Applications, and Technologies (LAT), Kazan, Russia, August 23-27, 2010.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в рецензируемых научных журналах.
10 Содержание работы
Диссертация состоит из введения, обзорной главы, четырех оригинальных глав, заключения и списка цитируемой литературы, а также списка публикаций автора по теме настоящей работы. Объем работы 132 страницы, включая 18 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 113 библиографических ссылок.
Во введении обсуждается актуальность темы работы, формулируется цель диссертации, кратко охарактеризованы основные полученные результаты, их научная новизна и практическая ценность. Дана краткая аннотация к каждой главе диссертации.
В первой главе диссертации, представляющей собой литературный обзор, рассмотрены особенности поведения атомов в сильном световом поле. Приведены основные результаты экспериментального наблюдения генерации гармоник высокого порядка при надпороговой ионизации атомов. Проанализированы также основные теоретические подходы к описанию этого процесса: прямое численное решение нестационарного уравнения Шредингера, а также квантовомеханические и классические модели этого процесса.
Большинство экспериментов по ГГВП в газообразных средах выполнено с благородными газами при достаточно малой плотности среды. Обычно эксперименты проводятся при интенсивностях 1014- 1017 Вт/см2, то есть при напряженности лазерного поля F0, сравнимой с напряженностью внутриатомного поля Fat= 5.14-109 В/см. Важную роль в понимании механизма ГГВП сыграла следующая зависимость высокочастотной границы плато в спектре ГГВП:
П*3.17Ц,+/р, (1)
где /р - потенциал ионизации атома, a Uq = E2/4w„ - средняя колебательная энергия электрона в континууме, называемая обычно пондеромоторной энергией (используется атомная система единиц h = e = m = \).
Наиболее простой и наглядной моделью, описывающей механизм ГГВП, является полуклассическая модель (Corkum Р.В. Phys. Rev. Lett., 71, 1993, p.1994). Согласно этой модели, элементарный процесс преобразования п квантов лазерного излучения в один квант л-ой гармоники состоит из следующих трех этапов, повторяющихся на каждом полупериоде лазерного поля: 1) туннелирования электрона; 2) движения свободного электрона в лазерном поле; 3) излучательной рекомбинации электрона в основное связанное состояние. Важным результатом полуклассической модели является зависимость кинетической энергии рекомбинирующего электрона от момента времени ионизации. Максимальное значение этой энергии составляет примерно 3.17Ц,, что и определяет величину частоты отсечки (1).
Вторая глава посвящена развитию методики описания взаимодействия атомов с ССЛП. Построена квантовомеханическая модель такого взаимодействия, в рамках которой произведен учет ряда принципиально важных факторов: (1) влияния магнитной составляющей поля световой волны и кулоновского электрон-ионного взаимодействия на движение квазисвободных электронов в континууме, (2) зависимости скорости расплывания волнового пакета электрона в континууме от параметров атома и накачки, а также (3) истощения атомных состояний. Существенной особенностью предлагаемой
12 модели является также возможность рассмотрения полей произвольной конфигурации, в том числе бихроматических полей и стоячей электромагнитной волны.
В третьей главе исследовано влияние низкочастотного поля на генерацию гармоник атомами в сильном лазерном поле. Показано, что добавление относительно слабого электростатического поля позволяет увеличить частоту отсечки в спектре ГГВП почти в три раза. Установлено, что этот эффект обусловлен: (1) возрастанием доли рекомбинирующих фотоэлектронов, (2) существенным увеличением их кинетической энергии в момент рекомбинации, а также (3) уменьшением времени возврата фотоэлектрона к родительскому иону (и, следовательно, уменьшением расплывания волнового пакета электрона, что увеличивает эффективность процесса рекомбинации).
Показано, что экспериментальная реализация такой ситуации возможна при использовании излучения мощного С02-лазера (вместо электростатического поля) и сверхкоротких (т, < 10 фс) лазерных импульсов основной компоненты накачки. Расчеты, проведенные в рамках квантовомеханического подхода, показывают, что при использовании таких импульсов, как и в случае постоянного поля, возможно увеличение частоты отсечки до трех раз. Это достигается при отношении амплитуд полей накачки ~0.39. Однако при этом электроны с наибольшими энергиям образуются при малых напряженностях поля накачки, поэтому интенсивность гармоник в высокочастотной части плато убывает с ростом номера гармоники.
Обнаружена многоярусная структура высокочастотного края спектра ГГВП, которая обусловлена появлением дополнительной компоненты движения электрона в континууме при бихроматической накачке. Таким образом, использование бихроматических полей позволяет существенно увеличить максимальную частоту генерации когерентного рентгеновского излучения. Важно, что это увеличение достигается не за счет повышения интенсивности накачки, рост которой ограничен насыщением процесса ионизации.
Четвертая глава посвящена исследованию особенности надпороговой ионизации многозарядных ионов и генерации гармоник высокого порядка в лазерных полях релятивистской интенсивности. Показано, что смещение фотоэлектронов вдоль волнового вектора волны накачки приводит к снижению интенсивности гармоник, причем в низкочастотной части спектра ГГВП это снижение больше, чем в высокочастотной. Сформулирован критерий для параметров накачки, при которых проявляются релятивистские эффекты при ГГВП: / QJ2ri)m > с4. Этот критерий отличается от известного выражения для проявления релятивистских эффектов в надпороговой ионизации {1(\12к)г> с4). Поэтому влияние магнитной компоненты накачки на ГГВП следует учитывать для излучения с А = 0.3 мкм уже при /=1017В/см2. Модельный численный расчет спектров подтверждает этот вывод. Отметим, что согласно найденному нами критерию, для больших длин волн роль магнитной компоненты следует учитывать при ещё меньших интенсивностях: для Л, = 0.8 мкм - при 1 = 1 1015В/см2, а для А, = 2 мкм - при 1 = 6 1014В/см2. В
14 этих условиях увеличение эффективной массы электрона не оказывает существенного влияния на энергетические спектры надпороговых электронов.
Предложено использовать стоячую электромагнитную волну (СВ) вместо бегущей волны (БВ) для увеличения эффективности ГГВП за счет уменьшения продольного смещения фотоэлектронов. В отличие от случая БВ, в СВ продольное смещение фотоэлектрона немонотонно зависит от расстояния Sz от генерирующего атома до точки пучности электрического поля (~ sin(4rc5z/A)). При этом смещение в СВ может превышать смещение в БВ при 5z /(А/4) > 0.12. Поэтому эффективность , использования атомов в СВ меньше единицы и убывает с ростом интенсивности накачки /. Таким образом, выигрыш R в эффективности ГГВП при использовании СВ по сравнению с БВ определяется двумя факторами: увеличением интенсивности генерации для атома в точке 8z = 0 (по сравнению с БВ), который характеризуется параметром l/r\t, и эффективностью ^ использования атомов в СВ. Выигрыш R возрастает с увеличением интенсивности накачки и может достигать нескольких порядков. Так, при / = 1018 Вт/см2 и А = 0.3 мкм ті,« 5-Ю"4, \ « 5-Ю"2, a R « 102.
В пятой главе исследуются ограничения роста эффективности генерации гармоник, возникающие вследствие быстрого истощения основного состояния атома (населенность основного состояния существенно уменьшается в течение одного периода лазерного поля). Для достижения такого режима ионизации лазерный импульс должен быть не только достаточно интенсивным, но и коротким, чтобы полная ионизация не происходила на его переднем фронте. В таком импульсе ионизация происходит в так называемом режиме
подавления барьера: лазерное поле настолько сильное, что барьер, образованный кулоновским и лазерным полем, ниже, чем энергия основного состояния, поэтому электрон может покинуть атом даже без туннелирования (т.е. классически).
С помощью численного решения уравнения Шредингера показано, что в режиме надбарьерной ионизации рост интенсивности гармоник с увеличением интенсивности накачки замедляется, а потом даже сменяется убыванием. Отсечка плато смещается к номерам гармоник меньшим, чем предсказывается полуклассической моделью для режима туннельной ионизации. Снижение интенсивности гармоник объясняется увеличением скорости расплывания волнового пакета электрона и снижением сечения рекомбинации при более высоких интенсивностях накачки.
Исследовано также получение аттосекундных импульсов при генерации гармоник в таком режиме ионизации. Показано, что для эффективной генерации аттосекундных импульсов необходима некоторая населенность основного состояния в момент возврата электрона к родительскому иону. Поэтому при увеличении скорости опустошения основного состояния происходит сокращение цуга аттосекундных импульсов. В частности, если опустошение основного состояния происходит за один оптический период, то излучение из спектрального диапазона в самой высокочастотной части плато представляет собой одиночный аттосекундный импульс.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Похожие диссертации на Генерация коротковолнового излучения в сверхсильных лазерных полях сложной структуры
