Введение к работе
Актуальность темы
Появление фемтосекундных лазеров около 20-ти лет назад привело к созданию уникальных систем для исследования процессов взаимодействия излучения с веществом. Длительность импульса современных фемтосекундных лазеров достигает величины ~ 4 фс, т.е. оказывается сравнимой с длительностью периода излучения (2.7 фс для длины волны 800 нм). Благодаря технике усиления фазовомодулированных (чирпированных) лазерных импульсов пиковая мощность современных лазерных систем составляет единицы петаватт, что позволяет достигать рекордных интенсивностей (свыше 1022 Вт/см2).
За счёт малой длительности импульсов фемтосекундных лазерных систем стало возможным исследование динамики различных процессов с высоким временным разрешением. Основным методом таких исследований являются эксперименты типа накачка-зондирование, в которых при сканировании задержки пробного импульса удается исследовать временную динамику сверхбыстрых процессов.
Одним из основных объектов исследования в физике взаимодействия лазерного излучения с веществом является лазерная плазма. Применение лазеров сверхкоротких импульсов позволяет получать многократно ионизованную плазму в газовых средах с помощью относительно простых и компактных систем, помещающихся на лабораторном оптическом столе. Изучение такой неравновесной лазерной плазмы, возникающей в газах при ионизации ультракороткими высокоинтенсивными импульсами, является одним из важных направлений в физике взаимодействия лазерного излучения с веществом. Данная проблема актуальна как с точки зрения фундаментальной науки - получения новых экспериментальных данных о свойствах неравновесной, пространственно неоднородной плазмы высокой плотности и механизмах ее формирования, развития и взаимодействия с лазерным излучением, так и в связи с многочисленными прикладными задачами — разработкой методов генерации предельно коротких, аттосекундных световых импульсов, лазерным ускорением частиц, созданием лазерных источников рентгеновского излучения и УФ-излучения нанометрового диапазона длин волн,
совершенствованием технологий и разработкой новых методов прецизионного
лазерного микро- и наноструктурирования поверхности и объема металлов и прозрачных оптических материалов, в которых возбуждаемая лазерным излучением плазма играет принципиальную и во многом определяющую роль.
Одним из наиболее важных явлений при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в газах является процесс филаментации. Данное явление состоит в том, что при распространении в газовой среде колимированый лазерный пучок не расплывается за счёт дифракции, а формирует одну или несколько нитей (филаментов) с относительно высокой интенсивностью, достаточной для ионизации газа.
Цель и задачи работы
Разработка и совершенствование методики прецизионной зондирующей микроинтерферометрии и применение данной методики для изучения процессов взаимодействия лазерного излучения фемтосекундной длительности с веществом: исследование динамики формирования и развития фемтосекундной лазерной микроплазмы в газах и измерение параметров плазменного канала, образующегося в газовых средах в процессе филаментации фемтосекундного лазерного излучения.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Разработка методики прецизионной лазерной микроинтерферометрии, позволяющей проводить диагностику нестационарных фазовых объектов с высокими пространственным и временным разрешениями и обладающей при этом достаточно высокой чувствительностью для измерения малых изменений фазы зондирующего излучения.
-
Проведение экспериментов по диагностике фемтосекундной лазерной микроплазмы в различных газах при различном давлении и получение данных о временной динамике электронной плотности во всём объёме, занимаемом плазмой.
-
Проведение экспериментов по измерению параметров плазменного канала фемтосекундного лазерно-плазменного филамента в атмосфере, получение данных о пространственном распределении электронной плотности в канале и её временной динамики.
Научная новизна
-
Разработана методика прецизионной зондирующей микроинтерферометрии, позволяющая производить диагностику фазовых объектов с временным разрешением менее 50 фс и пространственным разрешением до 1.5 мкм, и диагностировать фазовые объекты с амплитудой от 2л/1000 рад.
-
Обнаружено явление постионизации в фемтосекундной лазерной плазме газов - значительное нарастание электронной плотности в плазме после окончания воздействия фемтосекундного лазерного излучения.
-
Проведены прямые оптические измерения пространственного распределения и временной динамики электронной плотности в плазменном канале фемтосекундного лазерно-плазменного филамента.
Практическая ценность
Разработанная в ходе выполнения работы методика сверхскоростной прецизионной микроинтерферометрии может применяться для диагностики быстропротекающих процессов, требующей одновременно высокого пространственного и временного разрешения, в том числе для диагностики чрезвычайно слабых фазовых объектов.
Полученные в ходе работы данные о пространственно-временной динамике электронной плотности фемтосекундной лазерной плазмы могут быть использованы для развития и совершенствования теоретических моделей взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом.
Защищаемые положения
-
С помощью зондирующей микроинтерферометрии можно исследовать фазовые объекты размером до единиц микрон с временным разрешением до десятков фемтосекунд и регистрировать при этом изменение фазы зондирующего импульса на уровне 2л/1000 рад.
-
При образовании лазерной микроплазмы в воздухе, азоте, аргоне и гелии (в диапазоне давлений 1-10 атм) одиночными фемтосекундными импульсами с пиковой интенсивностью превышающей —10 Вт/см увеличение электронной плотности продолжается после окончания воздействия лазерного излучения.
3. Интерферометрическая диагностика может применяться для измерения электронной плотности в плазменном канале фемтосекундного лазерно-плазменного филамента.
Личный вклад диссертанта
Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Аппробания работы
Основные результаты были доложены на следующих международных конференциях:
-
Третий Международный Научный Семинар "Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах", Москва (Россия), 31 января - 4 февраля, 2006.
-
International Conference on High Power Laser Beams "HPLB-2006", Nizhny Novgorod - Yaroslavl - Nizhny Novgorod, July 3-8,2006.
-
Advanced Laser Technologies 2006, Brasov (Romania), September 8-12,2006.
-
27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics, Xian (China), September 17-22,2006.
-
XI Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", Звенигород, 26 - 29 ноября, 2006.
-
Четвертый Международный научный семинар "Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах", Москва (Россия), 29 января - 2 февраля, 2007.
-
5th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation, Moscow (Russia), April 11-12,2007.
-
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics 2007 (ICONO'07), Minsk (Belams), May 28-June 1, 2007.
-
International conference Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies FLAMN-07, St. Petersburg - Pushkin (Russia), June 25-28, 2007.
-
Advanced Laser Technologies, Levi (Finland), September 3-7,2007.
-
1st International Conference on Ultra intense Laser Interaction Sciences "ULIS 2007", Bordeaux (France), October 1-5,2007.
-
Пятый Международный научный семинар "Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах", Москва (Россия), 29 января - 2 февраля, 2008.
-
6th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation", Moscow (Russia), April 9-10, 2008.
-
Вторая Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, Сэров, (Россия), 22-25 апреля, 2008.
-
International Symposium "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics-2008",Nizhny Novgorod (Russia), July 20-26,2008.
-
Laser-induced damage in optical materials 2008, Boulder (USA), September 22-24,2008.
-
Laser-Driven Relativistic Plasmas Applied to Science, Industry and Medicine. 2nd International Symposium, Kyoto (Japan) January 19-23 2009.
-
17th International Conference on Advanced Laser Technologies, Antalya (Turkey), September 26 - October 1,2009.
-
3rd Intern. Symposium on Filamentation, Crete(Greece), 31 May-5 June, 2010.
-
14 International conference on Laser Optic 2010, St. Peterburg (Russia), 28 June -2 July, 2010.
-
International conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro-Nanotechnologies, St. Petersburg-Pushkin (Russia), July 5-8, 2010.
Публикации
Основные результаты опубликованы в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 25 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 87 страниц, включая 18 рисунков и список литературы из 92 наименований.
