Введение к работе
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 (t» 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 Dl= 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 t » 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 t » 70 фс. Временной контраст при отстройке от максимума импульса на 1 пс может быть оценен как 10-3.
Во второй главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения относительно невысокого (для фемтосекундной длительности лазерных импульсов) уровня интенсивности I1012 Вт/см2 с твердым телом с целью получения структур микро- и нанометрового масштаба.
В первом параграфе главы исследуется микроструктурирование сильно нелинейных сред (халькогенидных стекол) с использованием задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе, не превышающей Wp » 1-2 нДж. Показано, что в такой среде уже при наноджоульной энергии в фемтосекундном лазерном импульсе может происходить образование структур из модифицированного вещества с субмикронными размерами. Исследованы закономерности возникновения микроструктур, в частности, показано, что время, необходимое для развития микроструктур обратно пропорционально квадрату энергии в лазерном импульсе.
Предложена модель, основанная на двухфотонном поглощении лазерного излучения и последующего локального нагрева материала образца. Действительно, оценим нагрев образца в области фокуса при двухфотонном поглощении. Число актов двухфотонного поглощения в единице объема в единицу времени пропорционально сечению двухфотонного поглощения d2, концентрации поглощающих молекул n0, и квадрату интенсивности в фокусе I0.Тогда выделение энергии в единице объема в фокусе за время импульса tp составит величину DWd2n0tpI02. При частоте повторения Fn скорость выделения энергии в единице объема будет
dW/dtd2n0tpI02Fn (1)
Образование наблюдаемых микроструктур в образце As2S3 происходит, когда поглощенной энергии становится достаточно для нагрева материала до температуры размягчения (плавления) Тпл. Тогда время образования микроструктур te может быть определено интегрированием (1) из соотношения
d2n0tpI02Fnte=срrТпл (2)
где ср=0.46 дж/гград - удельная теплоемкость, =3.2 г//см3 - плотность As2S3 [30]. Следующая из (2) зависимость te~1/I~1/W хорошо соответствует экспериментальным данным.
Во втором параграфе главы излагаются результаты экспериментального исследования формирования наноструктур на поверхности мишеней из разных материалов при облучении зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) излучением фемтосекундного лазера. Продемонстрирована возможность образования на поверхности образцов углублений (кратеров) диаметром 20–100 нм и глубиной в несколько нанометров.
Качественная схема эксперимента приведена на рис. 2. Типичный вид получающихся наноструктур приведен на рис. 3 для пленки из FeCr, p-поляризации лазерного излучения и плотности потока энергии F = 95 мДж/см2. Характерный диаметр наноструктур вблизи порога появления оставлял d = 20…50 нм, глубина h = 2…5 нм.
Проведены исследования влияния зависимости порога образования наноструктур от поляризации лазерного излучения, длительности лазерного импульса, расстояния между острием зонда и поверхностью образца. Выполненный анализ экспериментальных результатов позволил сделать вывод о том, что основной причиной образования наноструктур на поверхности образцов при лазерном облучении зонда АСМ является разогрев зонда поглощенным лазерным излучением и его механическое давление на образец при термическом удлинении. В работе выведен критерий для пороговой плотности потока энергии Fth образования наноструктур, полученный из условия равенства термического удлинения зонда упругой деформации конического зонда под действием внешней силы:
(3)
где s0 – некоторое предельное напряжение для материала образца, начиная с которого на нем остаются необратимые изменения после воздействия со стороны зонда, A(d) – коэффициент поглощения лазерного излучения, c и r – удельная теплоемкость и плотность материала зонда.
Третья глава диссертации посвящена исследованиям взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с прозрачными диэлектриками при фокусировке лазерного излучения конической линзой – аксиконом.
В первом параграфе главы приведены результаты экспериментальных исследований микромодификаций диэлектриков и формирования в них протяженных каналов, возникающих в прозрачных мишенях при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного лазерного излучения. Как известно [31], аксикон фокусирует пучок падающего излучения в нить, вытянутую вдоль своей оси. Мишени из прозрачного диэлектрика в наших экспериментах размещались в области максимума интенсивности. Максимальная интенсивность излучения на оси аксикона достигала величины I » (1—5)10 Вт/см. Для фокусировки лазерного излучения использовалась коническая аксиконная линза с углом при основании b = 20. При фокусировке интенсивного излучения в прозрачную диэлектрическую мишень при превышении энергии в импульсе некоторого порога в ней наблюдалась яркая светящаяся нить. Последующее рассмотрение этой области под микроскопом показало, что в мишени образуется канал, диаметр которого составлял d » 1,5 мкм, а длина могла превосходить 1 см и равняться толщине образца.
Кроме того, оказалось, что в спектре излучения, прошедшего через область фокусировки аксикона в прозрачном диэлектрике, появлялись новые спектральные компоненты, а именно: в прошедшем через мишень излучении наблюдалась система из двух-трех концентрических разноцветных колец, отделенных друг от друга темными промежутками. Внутреннее кольцо соответствовало основной гармонике лазерного излучения w и наблюдалось всегда. Внешние кольца возникали при превышении энергии в импульсе некоторого порога, причем этот порог превышал порог появления светящейся нити в материале диэлектрика. Длина волны излучения в кольцах уменьшалась по мере роста диаметра кольца. Спектр первого по радиусу кольца после кольца на основной частоте для образца из оптического стекла К8 приведен на рис.4. Там же представлен в качестве репера спектр 2-ой гармоники Nd:YAG лазера (узкий пик). При облучении мишеней из других материалов наблюдались кольца и других цветов.
Рис. 4. Спектр первого дополнительного кольца, К8, узкий пик на длине волны l = 532 нм – спектр 2-ой гармоники Nd:YAG лазера.
По нашим представлениям и формирование протяженных каналов в диэлектриках, и генерация новых спектральных компонент тесно связаны с возникновением плазмы в объеме диэлектрика при аксиконной фокусировке. Геометрия аксиконной фокусировки такова, что позволяет создавать внутри мишени интенсивность I 10 Вт/см, в значительной мере избегая (в силу малости поперечных размеров области с высокой интенсивностью) эффектов, связанных с самофокусировкой. Ионизация материала образца при такой высокой интенсивности активно идет уже на переднем фронте лазерного импульса. Характерный поперечный размер образовавшейся плазмы определяется характерным масштабом спадания электромагнитного поля и составляет величину ~ 1 мкм. Образование каналов, наблюдавшееся в эксперименте, по-видимому, связано с поглощением энергии лазерного излучения возникающей плазмой. Нагрев материала в канале до температуры, превышающей температуру плавления, и дальнейшее быстрое остывание и затвердевание материала образца приводит к изменению коэффициента преломления среды или за счет изменения плотности, или за счет остаточных напряжений в области самого канала и вокруг него. Действительно, экспериментально проведенное измерение дифракции излучения HeNe лазера на канале позволило оценить изменение коэффициента преломления в нем порядка ~10-2.
Далее в диссертации обсуждается следующий сценарий генерации новых спектральных компонент. Возникающий на оси аксикона плазменный канал выступает в качестве волноведущей структуры, в которой могут распространяться затухающие гибридные моды (так называемые leaking моды [43]). Спектр частот возбуждаемых мод может быть найден из условия равенства фазовых скоростей отдельных мод волноведущей структуры, определяемых с учетом поперечных размеров, параметров плазмы и дисперсионных характеристик материала, продольной фазовой скорости фемтосекундного лазерного импульса с учетом аксиконной фокусировки. В работе приведены результаты численного моделирования распространения интенсивного лазерного импульса в материале при аксиконной фокусировке с учетом ионизации, подтверждающие факт появления выделенных спектральных компонент.
Во втором параграфе третьей главы проведено исследование динамики ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в образце из оргстекла (полиметилметакрилата).
Рис. 5. Схема эксперимента по генерации и диагностике ударных волн.
Эксперименты были выполнены по оригинальной методике, основанной на спектральном анализе частотно модулированного оптического импульса (рис. 5). Диагностический частотно-модулированный сигнал (tp» 200 пс), представляющий часть лазерного импульса, не прошедшую через компрессор, с регулируемой задержкой проходил перпендикулярно оси аксикона через область, в которой происходило формирование плазменного канала. Так как разные длины волн частотно-модулированного импульса проходят через область взаимодействия в разные моменты времени, то в двумерной картине спектра, полученной на выходе спектрографа, горизонтальная ось в случае линейной частотной модуляции пропорциональна времени, а вертикальная ось соответствует пространственной координате. В результате изображение спектра на экране CCD камеры дает пространственно-временную развертку поперечного размера области, в которой формируется плазменный канал.
Рис. 6. Пространственно-временная развертка изображения области воздействия при различных задержках диагностического импульса d»0 нс, d»0.5 нс и d»1 нс. Энергия фемтосекундного импульса W=2.5 мДж.
Применение этой методики позволило исследовать динамику ударной волны за один лазерный импульс с высоким пространственным (~ 1 мкм) и временным (10 пс) разрешением. На рис. 6 представлена пространственно-временная динамика формирования и распространения ударной волны, образующейся в образце, при нескольких задержках диагностического импульса d»0 нс, d»0.5 нс и d»1 нс. Из анализа экспериментальных данных было показано, что в образце могут генерироваться ударные волны достаточно большой амплитуды (> 10 ГПа) при энергии в лазерном импульсе всего в несколько миллиджоулей. Данные по динамике поглощения диагностического излучения свидетельствуют о сложном характере кинетики разрушения материала мишени при ударно-волновом сжатии.
Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с распространением интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. В первом параграфе приведены результаты детального экспериментального и теоретического исследования высоковольтного разряда, стимулированного плазменной филаментой, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе. Исследования по инициированию электрического пробоя длинных воздушных промежутков при помощи лазерных импульсов ведутся уже несколько десятков лет [32-34] с целью управления траекторией искрового разряда, скоростью его развития, изменением среднего пробивного поля в межэлектродном пространстве. Практическими стимулами такой работы являются перспектива создания мегавольтных коммутаторов и искусственное инициирование молнии в грозовом облаке. Лазерные импульсы фемтосекундной длительности имеют свои особенности, относительно проблемы инициации высоковольтных разрядов [35-37].
Изучению этих особенностей и посвящены исследования, результаты которых приведены в этом параграфе. Основное внимание было обращено на исследования пороговых характеристик инициации разряда: зависимостей пробойного напряжения промежутка от энергии лазерных импульсов, длины промежутка, времени развития высоковольтного разряда от напряжения на электродах. В частности, было продемонстрировано трехкратное снижение порога возникновения инициированного разряда по сравнению с самостоятельным.
Рис. 7. Зависимость времени формирования разряда от напряжения на электродах. W= (8 - 10) мДж, d = 4.5 мм.
Как оказалось время задержки пробоя относительно лазерного импульса (время формирования разряда) слабо зависит от энергии лазерного импульса, резко возрастая лишь в области энергий, близких к порогу генерации филаменты, но существенно уменьшается с ростом напряжения на электродах (рис. 7). При увеличении напряжения на промежутке в 2 раза время пробоя уменьшается почти на 3 порядка величины. Столь сильная зависимость времени формирования разряда от воздействующего напряжения является характеристикой высоковольтного разряда, инициированного филаментой, и никогда ранее не наблюдалось в искровом разряде.
Обширный экспериментальный материал послужил основой теоретическому описанию разрядных явлений, выполненному с учетом детального анализа основных кинетических процессов, играющих определяющую роль в формировании разряда. В расчете также смоделировано формирование на месте образования филаменты по мере нагрева газа канала пониженной плотности. Все это позволило адекватно описывать экспериментальные результаты. В частности, расчет воспроизводит наблюдавшуюся в эксперименте резкую зависимость порога инициированного разряда от приложенного напряжения. Характерные расчетные величины электрических полей, необходимых для пробоя в случае инициации, близки к экспериментально измеренным значениям.
Во втором параграфе главы приводятся результаты экспериментального исследования другого нелинейного эффекта, обнаруженного нами при распространении интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере: нелинейного поглощения энергии фемтосекундных лазерных импульсов. При изучении поглощения лазерного излучения в атмосфере оптоакустическим методом было обнаружено, что величина поглощения энергии импульсов фемтосекундной длительности значительно (на два-три порядка) превосходит величину поглощения наносекундных импульсов при одинаковой энергии в импульсе и одинаковых спектрах импульсов. Зависимость поглощенной энергии от энергии в лазерном импульсе в случае фемтосекундной длительности импульса была близка к квадратичной (рис.8).
Рис. 8. Зависимость амплитуды акустического сигнала от энергии в лазерном импульсе. Кружки – наносекундные импульсы, квадраты – фемтосекундные импульсы, сплошная линия - модель.
На базе анализа экспериментальных результатов была построена аналитическая модель нелинейного поглощения, основанная на возбуждении вращательного движения молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением. Сплошная линия на рис.8 построена на основании этой модели.
В пятой главе приводятся результаты исследования взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с плазмой, создаваемой при распространении этого излучения в газах. Интенсивность излучения во всех экспериментах, о которых речь идет в этой главе, заведомо превышает уровень, необходимый для ионизации I 1014 Вт/см2.
В параграфе 5.1. излагаются результаты исследований ионизационной трансформации спектра мощных лазерных импульсов с энергией до 10 мДж после их прохождения через диэлектрический капилляр, заполненный газом, и компрессии импульсов на внешнем компрессоре.
В экспериментах лазерное излучение вводилось в вакуумную камеру и фокусировалось сферическим зеркалом на входной торец капилляра. В капилляр напускался исследуемый газ (Ar, He, воздух) необходимого давления. В работе исследовались спектр и автокорреляционная функция лазерного импульса, прошедшего через газонаполненный капилляр.
Как было показано, при энергии в импульсе, недостаточной для ионизации газа, спектр излучения на выходе капилляра совпадал со спектром, полученным в случае откачанного капилляра. При превышении порога ионизации спектр выходного излучения смещался в сторону коротких длин волн. При увеличении энергии в падающем импульсе максимальная величина сдвига спектральных компонент увеличивалась. Максимальная величина сдвига "центра масс" спектра на выходе капилляра достигала » 20-30 нм, что составляет 2-3 ширины спектра импульса на входе в капилляр. Эффективная ширина спектра увеличивалась по сравнению с исходной в несколько раз.
Было выполнено численное моделирование процесса распространения лазерных импульсов в капилляре в условиях эксперимента в рамках параксиального уравнения для комплексной огибающей высокочастотного электрического поля и уравнений ионизационного баланса. Полученные в результате численного расчета спектры находятся в хорошем качественном согласии с экспериментом. Кроме этого, как было показано, зависимость спектральной фазы от длины волны оказалась близкой к квадратичной, что позволяет при компенсации этой квадратичной фазы с учетом значительного уширения спектра, осуществлять компрессию лазерного импульса. На рис. 9 приведено расчетное временное распределение интенсивности лазерного импульса на входе в капилляр (1) и на выходе из капилляра (2) в случае компенсации квадратичной фазы (Ar p=1 Торр, энергия входного импульса 3.5 мДж): длительность импульса сократилась в несколько раз. Рис. 10 демонстрирует экспериментальную компрессия лазерного импульса на выходе из капилляра: длительность импульса, полученная из экспериментально измеренной автокорреляционной функции, уменьшилась с 0» 90 фс до » 35 фс, то есть почти в три раза по сравнению с исходной. Компенсация квадратичной составляющей спектральной фазы в эксперименте осуществлялась путем подбора кварцевых плоскопараллельных пластин необходимой толщины, которые помещались в лазерный пучок перед схемой измерения автокорреляционной функции.
Во втором параграфе пятой главы приведены результаты исследования рамановского усиления коротких лазерных импульсов в плазме в процессе трехволнового взаимодействия. В работе [38] было предложено реализовать в полностью ионизированной плазме процесс рассеяния длинного лазерного импульса накачки в короткий усиливаемый лазерный импульс, бегущий навстречу. Разность несущих частот обоих импульсов предполагалась равной электронной плазменной частоте. В нашей работе для осуществления трехволнового взаимодействия предлагается использовать тонкий диэлектрический капилляр. Использование капилляра, обладающего волноводными свойствами, позволяет значительно увеличить длину взаимодействия по сравнению со случаем свободного пространства, где дифракционное расплывание лазерного импульса ограничивает область, в которой существует интенсивное лазерное поле релеевской длиной.
Анализ процесса рамановского усиления был выполнен в приближении параксиального распространения импульсов волны накачки, усиливаемого импульса и плазменной волны. В результате было показано, что на линейной стадии, пока истощение накачки еще несущественно, и амплитуда усиливаемого импульса мала по сравнению с амплитудой накачки, усиление идет с временным инкрементом, совпадающим по величине с инкрементом пространственно однородной задачи. Существенно отметить, что на линейной стадии усиливаемый импульс расширяется в пространстве. На нелинейной стадии усиливаемый импульс не только усиливается, но и сжимается по длительности. Анализ показал, что важным для сопоставления с экспериментом является процесс нелинейного опрокидывания плазменной волны, приводящий к ограничению ее амплитуды.
В эксперименте использовался стеклянный капилляр диаметром 30 мкм и длиной 1.5 см. Капилляр помещался в вакуумную камеру. Вакуумная камера после откачки наполнялась аргоном, давление которого варьировалось в диапазоне от 0.3 до 30 Торр. Плазма создавалась ионизирующим лазерным импульсом интенсивностью ~ 51015 Вт/см2. Импульс накачки имел длительность 170 пс при спектральной ширине 14 нм. Затравочный усиливаемый импульс имел длительность 80 фс, спектр импульса идентичен спектру накачки и ионизирующего импульса. Энергия затравочного импульса менялась в диапазоне 0.1-1 мкДж, что соответствует максимальной интенсивности ~31013 Вт/см2.
Зависимость коэффициента усиления затравочного импульса от энергии в импульсе накачки для оптимальной задержки между усиливаемым импульсом и импульсом накачки приведена на рис. 11. Видно, что при максимальной энергии накачки максимальная величина коэффициента усиления составила ~130. На момент публикации этих результатов (2004 г.) это - максимальная цифра по усилению мощных фемтосекундных лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме.
Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления от энергии накачки. Точками и крестиками нанесены экспериментальные данные при давлении нейтрального аргона 0.3 Торр для двух различных значений задержки затравки относительно накачки, близких к оптимальной. Линиями представлены результаты численных расчетов для разных моделей опрокидывания.
Линиями на рисунке представлены результаты численных расчетов для разных моделей опрокидывания.
В третьем параграфе главы приведены результаты исследования продольной и поперечной структуры плазменной волны, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом, с помощью метода продольной фемтосекундной интерферометрии.
Электростатическое поле в сильной ленгмюровской волне может достигать уровня атомных полей (Ea ~ 500 ГВ/м), что значительно, на два-три порядка превосходит величины ускоряющих полей в обычных ускорителях. Поэтому ускорение заряженных частиц (прежде всего электронов) в плазменной волне привлекает повышенное внимание исследователей [39, 40].
В выполненных нами экспериментах диагностика плазменной волны осуществлялась по изменению фазы слабого пробного импульса, распространяющегося в поле плазменной волны следом за мощным фемтосекундным импульсом с регулируемой задержкой. Для гауссовой формы пробного импульса среднее по радиусу и проинтегрированное вдоль направления распространения лазерного излучения выражение для изменения фазы пробного импульса, приобретенной за счет плазменной волны, относительно распространения в вакууме, выглядит:
(4)
Здесь E – энергия лазерного импульса, re – классический радиус электрона, me c2 – энергия покоя электрона.
Для повышения чувствительности измерения амплитуды плазменной волны (так как фазовые сдвиги, вызываемые плазменной волной, составляют величину всего в несколько десятков миллирадиан в условиях эксперимента) использовался метод продольной спектральной интерферометрии, в котором два импульса следуют друг за другом со временем задержки между ними [41, 42]. Биения в спектре импульсов, возникающие в этом случае, позволяют поднять чувствительность метода.
На рис. 12 изображены осцилляции в плазменной волне в гелии при давлении газа p = 4.8 Торр и p = 2.7 Торр, что соответствует концентрации плазмы с учетом двойной ионизации гелия ne0 = 3см-3 и ne0 = 1.7см-3. Для давления p = 4.8 Торр задержка между пробными импульсами была фиксирована 2.2 пс. Импульс накачки с энергией 10 мДж располагался с задержкой 550 фс перед вторым пробным импульсом и сканировался по времени, удаляясь от второго пробного импульса с шагом в 13.3 фс. Для p = 2.7 Торр время между пробными импульсами устанавливалось равным полутора периодам плазменной волны и оба импульса следовали за импульсом накачки.
Рис. 12. Осцилляции плазменной волны в гелии. Для давления p=4.8 Торр задержка пробных импульсов между собой 2.2. пс, импульс накачки между пробными импульсами. Для данных при давлении p=2.7 Торр (смещены по вертикали и по времени на -400 фс) пробные импульсы следуют за импульсом накачки с задержкой между ними 415 фс. Энергия в импульсе W 10 мДж. Сплошные кривые – расчетные значения фазового набега в плазменной волне. Данные для откачанной камеры (верхняя часть рисунка) смещены по вертикали.
Из экспериментальных данных, представленных на рис. 12, с учетом фокальной геометрии можно оценить максимальное изменение плотности плазмы в фокусе в плазменной волне как n/n 0.8. Величина продольного электрического поля в плазменной волне, которое может быть использовано для ускорения электронов, оценивается по величине амплитуды осцилляций электронной концентрации в этом случае как E p= 10 ГВ/м, что находится в хорошем соответствии, как с аналитическими двумерными оценками, так и с релятивистским нелинейным двумерным численным моделированием.
В заключение перечислим основные результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Обнаружено, что при облучении образца из халькогенидного стекла As2S3 низкоинтенсивным излучением задающего генератора фемтосекундных импульсов на Ti:Sa (энергия в импульсе W1.5 нДж) в образце происходит образование структур из модифицированного вещества с субмикронными размерами. Время, за которое происходит образование микроструктур, обратно пропорционально квадрату энергии в лазерном импульсе, минимальное значение при максимальных энергиях оказалось меньше микросекунды (0.3 мкс). Предложена модель, основанная на двухфотонном поглощении лазерного излучения и последующем локальном нагреве материала образца, позволившая непротиворечивым образом объяснить весь имеющийся экспериментальный материал.
2. Экспериментально исследовано формирования наноструктур на поверхности металлических пленок под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии на зонд излучения фемтосекундного лазера. Продемонстрирована возможность образования на поверхности образцов углублений (кратеров) диаметром 20–100 нм и глубиной в несколько нанометров. Наноструктуры создавались в разных материалах, начиная с мягкого и легкоплавкого индия и кончая таким жестким и тугоплавким магнитным материалом, каким является FeCr. Определены пороги формирования наноструктур, изучена зависимость порогов появления наноструктур от поляризации и длительности лазерного импульса. Выполненный цикл экспериментальных исследований позволил установить, что основным механизмом образования структур на поверхности является механическое воздействие сильно нагретого лазерным излучением зонда при его термическом расширении.
3. При аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики продемонстрирована возможность формирования длинных каналов модифицированного вещества образца с поперечным размером порядка микрона и длиной до одного сантиметра, что может представлять интерес, например, для создания элементов интегральной оптики и т.д. В спектре прошедшего через область взаимодействия излучения обнаружено появление новых дискретных частотных компонент с длиной волны, меньшей длины волны интенсивного излучения. Предложен механизм генерации новых спектральных компонент, связанный с возбуждением мод в нелинейном плазменном волноводе, попадающих в синхронизм с импульсом накачки.
4. Экспериментально исследована временная динамика сильных (до 10 Гпа) ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в образцах из прозрачных диэлектриков. Для этого была разработана оригинальная одноимпульсная методика исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, основанная на применении частотно модулированных лазерных импульсов и обладающая высоким пространственным (~1мкм) и временным (~10пс) разрешением.
5. Экспериментально исследован высоковольтный разряд, инициированный плазменной филаментой, создаваемой в атмосферном воздухе интенсивными лазерными импульсами фемтосекундной длительности. Продемонстрировано трехкратное снижение порога возникновения инициированного разряда по сравнению с разрядом в невозмущенном воздухе. Показано, что время формирования инициированного разряда уменьшается почти на 3 порядка величины при увеличении приложенного напряжения в 2 раза. Построена расчетная модель разрядного процесса, адекватно описывающая экспериментальные результаты. В частности, расчет воспроизводит наблюдавшуюся в эксперименте резкую зависимость порога инициированного разряда от приложенного напряжения и характерные величины электрических полей, необходимых для пробоя в этом случае.
6. Обнаружен и исследован новый механизм сильного нелинейного поглощения фемтосекундного лазерного излучения при распространении в атмосфере, значительно превосходящего по величине поглощение более длинноимпульсного (наносекундного) излучения при одинаковой энергии лазерных импульсов. Построена модель нелинейного поглощения, основанная на неадиабатическом возбуждении вращательного движения молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением. Полученные результаты могут иметь большое значение при использовании интенсивного фемтосекундного излучения в атмосферных исследованиях.
7. Проведено экспериментальное исследование ионизационной трансформации спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре. Показано, что происходит значительное (в несколько раз) уширение исходного спектра при сдвиге "центра масс" в сторону коротких длин волн. Результаты численного моделирования качественно хорошо согласуются с экспериментом. Впервые экспериментально продемонстрировано сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа. Полученные результаты открывают путь к генерации ультракоротких лазерных импульсов с длительностью < 10 фс и энергией в десятки миллиджоулей.
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. Достигнуты рекордно большие значения коэффициента усиления по спектральной интенсивности усиливаемого сигнала ~ 103 и по энергии выходного излучения ~ 102 . Выполненное численное моделирование демонстрирует хорошее согласие с экспериментом.
9. С использованием продольной спектральной интерферометрии были измерены колебания в плазменной волне, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом. Анализ экспериментальных данных позволил оценить возмущение относительной плотности электронов в плазменной волне как ~ 1 и продольное электрическое поле порядка E » 10 ГВ/м, что находится в хорошем соответствии как с аналитическими двумерными оценками, так и с релятивистским нелинейным двумерным численным моделированием. Сильная фокусировка лазерного излучения позволила достичь нелинейных плазменных колебаний при умеренных субрелятивистских интенсивностях лазерного излучения. Использованная методика может быть использована как мощный инструмент контроля и мониторинга плазменных волн большой амплитуды, которые являются основой перспективных плазменных ускорителей заряженных частиц.
Литература, цитируемая в автореферате:
1. Fork R.L., Green B.I., Shank C.V. “Generation of Optical Pulses Shorter Than 0. 1 Picoseconds by Colliding Pulse Modelocking”// Appl. Phys. Lett., v.38, p.671-672, 1981.
2. Fork R.L., Brito-Cruz C.H., Becker P.C., Shank C.V. “Compression of optical pulses to six femtoseconds by using cubic phase compensation” // Optics Lett., v.12, p.483, 1987.
3. Spielmann C.; Curley P.F.; Brabec T.; Krausz F. “Femtosecond solid-state lasers” // IEEE J. Quant. Electron., 28, p.2097 (1992).
4. D. E. Spence, P. N. Kean, and W. Sibbett, "60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser," Opt. Lett. 16, 42- (1991).
5. D. Strickland, G. Mourou. “Compression of amplified chirped optical pulses”. // Opt. Commun. V.56, p. 219, 1985.
6. G. Mourou. “The ultrahigh-peak power laser: present time and future”. // Appl. Phys. B v.65, p. 205, 1997.
7. M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipocs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, S. Sartania, F. Krausz. “Compression of high-energy laser pulses below 5 fs”. // Opt. Lett. v.22, №8, p.522, 1997.
8. S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, G. Tempea, Ch. Spielmann, F. Krausz, K. Ferencz. “Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate”. // Opt. Lett. v.22, №20, p.1562, 1997.
9. D. M. Pennington, M. D. Perry, B. C. Stuart, R. D. Boyd, J. A. Britten, C. G. Brown, S. M. Herman, J. L. Miller, H. T. Nguyen, B. W. Shore, G. L. Tietbohl and V. Yanovsky, "Petawatt laser system," in Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion: Second Annual International Conference, M. L. Andre ed., Proc. SPIE, 3047, 490-500 1997.
10. Y. Kitagawa, H. Fujita, R. Kodama et al. "Prepulse-free petawatt laser for a fast ignitor," IEEE J. Quantum Electron. 40, 281-293 (2004).
11. V.V. Lozhkarev, G.I. Freidman, V.N. Ginzburg et al. “200 TW 45 fs laser based on optical parametric chirped pulse amplification”. // OPTICS EXPRESS Vol. 14, No. 1, p. 446, 2006.
12. J.P. Collan, A.M.-T. Kim, and E. Masur. ‘Ultrafast Electron and Lattice Dynamics in Semiconductors at High Excited Carrier Densities’. // Chemical Physics, 251, 167-179, 2000.
13. Semiconductors Probed by Ultrafast Laser Spectroscopy, edited by R. R. Alfano, Academic, Orlando, Vols. I and II, 1984.
14. K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, and D. von der Linder ‘Ultrafast laser-induced order-disorder transitions in semiconductors.’ // Phys. Rev. B 51, n.14, p.186 (1995).
15. Rousse A., Rischel C., Fourmmaux S. et al. « Non-thermal melting in semiconductors measured at femtosecond resolution » // Nature (London) 410, 65-67 (2001).
16. W. P. Leemans et al., "GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator," // Nature Physics 2, 696 (2006).
17. V. Malka et al., "Laser plasma accelerators: a new tool for science and for the society” // Plasma Phys. Control. Fusion, 47, p.8481, 2005.
18. C. Joshi, "Plasma accelerators," // Scientific American (February 2006), pages 41-47.
19. Z. Chang, A. Rundquist, H. Wang, M. Murnane and H. Kaptein ‘Generation of Coherent Soft X Rays at 2.7 nm Using High Harmonics’ // Phys. Rev. Lett. 79, 2967-2970 (1997).
20. Андреев А.В., Гордиенко В.М., Савельев А.Б. «Ядерные процессы в высокотемпературной плазме, индуцируемой сверхкоротким лазерным импульсом». // Квантовая электроника, 31, с.941-956, 2001.
21. M. Roth, T.E. Cowan, M.H. Key et al., “Fast Ignition by Intense Laser-Accelerated Proton Beams”. // Phys. Rev. Lett. 86, p. 436-439 (2001).
22. R. Kodama, P. A. Norreys, K. Mima et al. ”Fast heating of ultrahigh-density plasma as a step towards laser fusion ignition” // Nature, 412, p.798 (2001).
23. L. Cerami, E. Mazur, S. Nolte, C. Schaffer “Femtosecond laser micromachining”// In Ultrafast Optics, Ed. Rick Trebino and Jeff Squier (in press), (2007).
24. S. Grafstrom “Photoassisted scanning tunneling microscopy” // J. Appl. Phys., 91, n.4, p.1717-1753 (2002).
25. G. Kamlage, T. Bauer, A. Ostendorf, and B. N. Chichkov, "Deep drilling of metals by femtosecond laser pulses," // Applied Physics A-Materials Science & Processing 77, 307-310 (2003).
26. B. N. Chichkov, C. Momma, S. Nolte, F. von Alvensleben, and A. Tunnermann, "Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids," // Applied Physics A-Materials Science & Processing 63, 109-115 (1996).
27. D. Day, and M. Gu, "Microchannel fabrication in PMMA based on localized heating by nanojoule high repetition rate femtosecond pulses," // Optics Express 13, 5939-5946 (2005).
28. E. N. Glezer, and E. Mazur, "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials," // Applied Physics Letters, 71, p.882-884 (1997).
29. А.А. Бабин, А.М. Киселев, А.М. Сергеев, А.Н. Степанов. Тераваттный фемтосекун-дный титан-сапфировый лазерный комплекс. // Квантовая электроника, т.31, №7, с.623-626, 2001.
30. Взято на сайте:
31. Коробкин В.В., Полонский Л.Я., Попонин В.П., Пятницкий Л.Н. «Фокусировка гауссовых и гипергауссовых лазерных пучков аксиконами для получения сплошных лазерных искр». // Квантовая электроника, 13, №2, с.265270, 1986.
32. А. Г. манов, Л. . ивлин, В. С. Шильдяев, «Оптически инициируемый направленный электрический пробой в газе», Письма в ЖЭТФ, т. 8, с. 417, (1968).
33. 113. J. R. Greig, D. W. Koopman, R. F. Fernsler, R. E. Pechacek, I. M. Vitkovitsky, and A. W. Ali, “Electrical Discharges Guided by Pulsed CO2-Laser Radiation”, Phys. Rev. Lett. 41, 174, (1978).
34. Miki M., Aihara Y., Shindo T., “Development of long gap discharges guided by a pulsed CO2 laser”, J. Phys. D., Vol. 26, p. 1244, (1993).
35. B. La Fontaine, et al., « The Influence of Electron Density in the Formation of Streamers in Electrical Discharges Triggered with Ultrashort Laser Pulses », IEEE Trans. on Plasma Science, 27, pp. 688-700, (1999).
36. H. Ppin, et al., « Triggering and guiding high-voltage large-scale leader discharges wiyh sub-joule ultrashort laser pulses», Phys. Plasmas 8, p.2532-2539, (2001).
37. S. Tsortakis , B. Prade, M. Franco et al, ‘Femtosecond laser-guided electric dischage in air’. // Phys. Rev., 64, p. 057401 (2001).
38. V.M. Malkin, G. Shvets, and N.J. Fisch. Fast compression of laser beams to highly overcritical powers.// Phys. Rev. Lett., 82, p.4448 (1999).
39. T. Tajima and J. M. Dawson, ‘Laser electron accelerator’, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979).
40. J. S. Wurtele, ‘Advanced accelerator concepts’, Phys. Today 47, No. 7, 33 (1994).
41. C.W. Siders, S.P. LeBlanc, M.C. Downer, T. Tajima, A.A. Babin, A.M. Sergeev, A.N. Stepanov. Plasma-based accelerator diagnostics based upon longitudinal nterferometry with ultrashort optical pulses. // IEEE Trans. on Plasma Sci., v.24, N2, p.301-315 (1996).
42. F. Reynaud et al., ‘Measurement of phase shifts introduced by nonlinear optical phenomena on subpicosecond pulses’, Opt. Lett. 14, 275 (1989).
43. E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. // Bell Syst. Tech. J. v.43, p.1783 (1964).
Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в работах:
1*. Андреев Н.Ф., Бабин А.А., Сергеев А.М., Степанов А.Н., Фельдштейн Ф.И. Создание и использование мощных фемтосекундных лазерных систем на основе кристаллов Ti:Sa.// «Оптика лазеров’ 93», тезисы докл., ч.2, с.426, С.-Петербург, 1993.
2*. C.W. Siders, S.P. LeBlanc, M.C. Downer, T. Tajima, A.A. Babin, A.M.Sergeev, A.N. Stepanov. All-optical, longitudinal interferometry diagnostics for plasma-based accelerators.// Proc. SPIE 2701, OE/LASE’96, Los Angeles, California, January, 1996.
3*. C.W. Siders, S.P. LeBlanc, D. Fisher, M.C. Downer, T. Tajima, A.A. Babin, A.M. Sergeev, A.N. Stepanov. Laser wake-field excitation and measurement by femtosecond longitudinal interferometry. // Phys. Rev. Lett., v.76, N19, p.3570, 1996.
4*. C.W. Siders, S.P. LeBlanc, D. Fisher, M.C. Downer, T. Tajima, A.A. Babin, A.M. Sergeev, A.N. Stepanov, B. Rae, E. Gaul. Laser wakefield photon accelerator: optical diag--nostics for the laser wake-field accelerator based on longitudinal interferometry. // Bullet. Amer. Phys. Soc., v.40, p.1862, 1995.
5*. C.W. Siders, S.P. LeBlanc, M.C. Downer, T. Tajima, A.A. Babin, A.M. Sergeev, A.N. Stepanov. Plasma-based accelerator diagnostics based upon longitudinal nterferometry with ultrashort optical pulses. // IEEE Trans. on Plasma Sci., v.24, N2, p.301-315, 1996.
6*. А.А. Бабин, А.М. Киселев, А. В. Ким, А.М. Сергеев, Степанов А.Н. Взаимодействие сверхсильных лазерных полей с веществом: гипотезы, эффекты, приложения. // Изв. ВУЗов Радиофизика, т.XXXIX, № 6, с.713-734, 1996.
7*. Babin A.A., Khazanov E.A., Kiselev A.M., Pravdenko K.I., Sergeev A.M., A.N. Stepanov and Kartashov D.V. Long channel formation in transparent dielectrics by femtosecond laser pulses under axicon focusing. // Proc.Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO’99), OSA Technical Digest, Baltimor, 23-28 May, 1999, p.322–323.
8*. Babin A.A., Khazanov E.A., Kiselev A.M., Pravdenko K.I., Sergeev A.M., A.N. Stepanov and Kartashov D.V. Harmonic generation by subterawatt femtosecond laser pulses in transparent dielectrics under axicon focusing. // Appl. of high field and short wavelength sources VIII, 27-30 June, Potsdam, 1999.
9*. Babin A.A., Khazanov E.A., Kiselev A.M., Pravdenko K.I., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Experimental investigation of interaction of subterawatt femtosecond laser radiation with transparent dielectrics under axicon focusing. // Proc. SPIE, v.3735(ICONO’98) 1999.
10*. А.А. Бабин, А.М. Киселев, К.И. Правденко, А.М. Сергеев, Степанов А.Н., Е.А. Хазанов. Экспериментальное воздействие субтераваттного фемтосекундного лазерного излучения на прозрачные диэлектрики при аксиконной фокусировке. // УФН, т.169, с.81-84, 1999.
11*. A.P. Alexandrov, Babin A.A., Kiselev A.M., Kulagin D. I., Lozhkarev V.V., A.N. Stepanov. Formation of microstructures in As2S3 by femtosecond pulse train. // Proc. CLEO, Baltimore, May 6-11, p.551, 2001.
12*. А.П.Александров, А.А. Бабин, А.М. Киселев, Д.И. Кулагин, В.В. Ложкарев, Степанов А.Н. Формирование микроструктур в As2S3 последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов. // Квантовая электроника, т.31, №5, с.398-400, 2001.
13*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Ionization frequency blue shift and pulse compression of high intensity femtosecond laser pulses in gas filled capillary tubes. // Technical Digest of ITARUS’2001. St. Petersburg, July 8–12, 2001. P.28–31.
14*. Babin A.A., Kiselev A.M., Kartashov D.V., Lozhkarev V.V., A.N. Stepanov. Modification and ablation of transparent dielectrics by femtosecond laser radiation. // Techn. Dig. of XVII Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO’2001), Minsk, June 26–July 1, p.319, 2001.
15*. Babin A.A., Kiselev A.M., Kartashov D.V., Lozhkarev V.V., A.N. Stepanov. Spectrum transformation of high intensity femtosecond laser in gas-filled capillary tubes. // Techn. Dig. of XVII Int. Conf. on Coherent and Nonli-near Optics (ICONO’2001), Minsk, June 26–July 1, p.337, 2001.
16*. А.А. Бабин, А.М. Киселев, А.М. Сергеев, Степанов А.Н. Тераваттный фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс. // Квантовая электроника, т.31, №7, с.623-626, 2001.
17*. Babin A.A., Kiselev A.M., Kartashov D.V., Lozhkarev V.V., A.N. Stepanov. Ionization spectrum trans-formation of high intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes. // Book of Abstracts of 10 Annual Int. Laser Physics Workshop LPHYS’01. Moscow, July 3–7, p.85, 2001.
18*. N. Andreev, A. Babin, A. Couairon, C. Courtois, B. Cros, L. Gorbunov, D. Kartashov, A. Kiselev , V. Lozhkarev, J.P. Marques, J. Mattieussent, A. Sergeev, A. Stepanov. Guiding of superstrong femtosecond laser pulses through the gas-filled dielectric capillary tubes. // IQEC’2002, Techn. Digest, Moscow, 22-27 June, QSuP2, Invited, 2002.
19*. Babin A.A., Kiselev A.M., Kartashov D.V., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Ionization spectrum trans-formation of high-intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes. // Laser Physics, v.12, №10, p.1303-1308, 2002.
20*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Ionization spectrum broadening and frequency blue shift of high intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes. // Appl. Physics B: Lasers and Optics v.75, N4, p. 509-514, 2002.
21*. А.А. Бабин, Д.В. Карташов, А.М. Киселев, В.В. Ложкарев, А.М. Сергеев, А.А. Солодов, Степанов А.Н. Ионизационная трансформация спектра и компрессия мощных фемтосекундных лазерных импульсов в экспериментах по распространению в газонаполненных диэлектрических капиллярах. // Письма в ЖЭТФ, т.76, №9, стр. 645-649, 2002.
22*. А.А. Бабин, Степанов А.Н. Способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика. Патент на изобретение №2150135 от 27 мая 2000 г. (приоритет от 07.06.1999 г.).
23*. Kirsanov A.V., Kiselev A.M., Polushkin N.I., A.N. Stepanov. Nanoprocessing in the near-field of atomic force microscope tip by femtosecond laser pulses. // Proc. SPM-2003, N. Novgorod, 2-5 March, p.69, 2003.
24*. А.М. Киселев, А.В. Кирсанов, Степанов А.Н. Формирование наноструктур под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами. // Препринт ИПФ РАН №621, Н. Новгород, 16 с., 2003.
25*. Kirsanov A.V., Kiselev A.M., Polushkin N.I., A.N. Stepanov. Femtosecond laser-induced nanofabrication in the near field of an atomic force microscope tip. // Proc. CLEO’2003, Baltimore, June 2003, QWA11.
26*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Compression of High Intensity Femtosecond Laser Pulses Due to Ionization Self-Phase Modulation in Gas-Filled Capillary Tubes. // Laser Physics, v. 13, N6, p.1-4, 2003.
27*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Ionization frequency blue shift and pulse compression of high intensity femtosecond laser pulses in gas filled capillary tubes. // Technical Digest of Ultrafast Optics 2001. Chteau Montebello, Qubec, Canada, July 22–26, 2001.
28*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. Compression of high intensity femtosecond laser pulses due to ionization self-phase modulation in gas-filled capillary tubes. // Book of abstracts 11th International Laser Physics Workshop 2002, Bratislava, Slovac Republic, 1-5 July, p.67, 2002.
29*. A. Babin, D. Kartashov, D. Kulagin, A. Stepanov. Plasma channel formation by axicon focusing of femtosecond laser radiation inside transparent dielectrics. // Technical Digest of IQEC/LAT 2002, Moscow, June 22-28, 2002.
30*. N. Andreev, A. Babin, V. Lozhkarev, A Kiselev, A. Sergeev, A. Stepanov, C. Courtois, B. Cros, J. Matthieussent, L Gorbunov, J.R. Marques. Guiding of superstrong femtosecond laser pulses through the gas-filled dielectric capillary tubes. // Technical Digest of IQEC/LAT 2002, Moscow, June 22-28, invited, 2002.
31*. Kirsanov A.V., Kiselev A.M., Polushkin N.I., A.N. Stepanov. Femtosecond laser-induced nanofabrication in the near field of an atomic force microscope tip. // Proc. Intern. Sympos. ‘Topical Problems of Nonlinear Wave Physics’, 6-12 September, N. Novgorod, p.291, 2003.
32*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kim A.V., Kiselev A.M., Sergeev A.M., A.N. Stepanov. // Nonlinear effects at guided propagation of high intense femtosecond laser pulse in gases. Proc. Intern. Sympos. ‘Topical Problems of Nonlinear Wave Physics’, 6-12 September, N. Novgorod, p.163, 2003.
33*. Kirsanov A.V., Kiselev A.M., Polushkin N.I., A.N. Stepanov. Femtosecond laser-induced nanofabrication in the near field of an atomic force microscope tip. // Journal of Appl. Phys., v.94, N10, p. 6822, 2003.
34*. Г.Г. Матвиенко, Ю.Н. Пономарев, Б.А. Тихомиров, А.В. Кирсанов, А.М. Киселев, Степанов А.Н. Оптико-акустические измерения поглощения фемтосекундного излучения Ti:Sa лазера в атмосферном воздухе.//Оптика атмосферы и океана, т. 17, №1, с.95-97, 2004.
35*. A.N. Stepanov. Great power femtosecond laser systems and atmospheric investigation. // Joint Intern. Symposium ’Atmospheric and Ocean Optics’, June 23-26, Tomsk, p.38, 2004.
36*. Balakin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Skobelev S.A., A.N. Stepanov, Fraiman G.M. Amplification of femtosecond laser pulses on stimulated Raman backscattering in capillary plasma. // II Intern. Conf. ‘Frontiers of Nonlinear Physics’, N. Novgorod, July 5-12, p.137, 2004.
37*. Балакин А.А., Карташов Д.В., Киселев А.М., Скобелев С.А., Степанов А.Н., Фрайман Г.М. Усиление лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме, создаваемой в диэлектрических капиллярах. // Письма в ЖЭТФ, т.80, №1, с.15-20, 2004.
38*. Balakin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Skobelev S.A., A.N. Stepanov, Fraiman G.M. Amplification of femtosecond laser pulses on stimulated Raman backscattering in capillary plasma. // Book of abstracts XIII Intern. Laser Phys. Workshop (LPHYS’04), Triest, Italy, July 12-16, p.88, 2004.
39*. A.N. Stepanov. Interaction of high-power femtosecond laser pulses with gases in channeling regimes. // IV Intern. Symp. ‘Modern problems of laser physics’, Novosibirsk, 22-27 August, p.116, 2004.
40*. Бабин А.А., Киселев А.М., Кулагин Д.И., Правденко К.И., Степанов А.Н. Генерация ударных волн при аксиконной фокусировке фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных диэлектриках. // Письма в ЖЭТФ, т.80, №5, с.344-348, 2004.
41*. Кирсанов А. В., Киселев А.М., Полушкин Н.И., Степанов А.Н. Формирование наноструктур на поверхности металлических пленок зондом атомно-силового микроскопа при воздействии лазерными импульсами. // Оптический журнал, т.71,№6, с.52-57, 2004.
42*. Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Kartashov D.V., KIrsanov A.V., Matvienko G.G., A.N. Stepanov, Zemlyanov A.A., Zemlyanov Al.A. Experimental investigation into interaction of femtosecond laser pulses with aerosols. // Proc. SPIE, v.5743, p.199-204, 2004.
43*. Бочкарев Н.Н., Землянов А.А., Землянов Ал.А., Кабанов А.М., Кирсанов А.В., Киселев А.М., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Экспериментальное исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем. // Оптика атмосферы и океана, т.17, №12, с.971-975, 2004.
44*. Битюрин Н.М., Бронникова Н.Г., Корытин А.И., Кирсанов А.В., Малышев А.Ю., Степанов А.Н. Образование наноструктур под иглой АСМ при воздействии на второй гармонике Ti:Sa фемтосекундного лазера. // Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 22-25 марта, Н. Новгород, с.214-215, 2005.
45*. Bogatov N.A., Kartashov D.V., A.N. Stepanov. Controlling of a dc discharge by a plasma filament produced by intense femtosecond laser pulse. // ICONO’2005 Techn. Digest, 11-15 May, S.-Peterburg, IWF4, 2005.
46*. Фрайман Г.М., Степанов А.Н. Рамановское усиление коротких лазерных импульсов в плазме. // В сб. «Нелинейные волны’2004» . Под ред. А.В. Гапонова-Грехова и В.И. Некоркина, Н.Новгород, ИПФ РАН, с.165-178, 2005.
47*. Н.Н. Бочкарев, А.А. Землянов, А.М. Кабанов, Степанов А.Н. Акустика фемтосекундного лазерного излучения в воздухе и аэрозоле. // XVI Сессия Российского акустического общества. Сборник трудов, Москва. ГЕОС, Т.2, 2005.
48*. Balakin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Skobelev S.A., Stepanov A.N., Fraiman G.M. Nonlinear effects in propagation of highly intense femtosecond laser pulses in gas-filled dielectric capillary tubes. // Int. Symp. ‘Topical problems of nonlinear wave physics’ NWP’ 2005, High field laser physics, N.Novgorod - S.Peterburg, 2-9 August, p.120-121, 2005.
49*. Bogatov N.A., Kartashov D.V., Stepanov A.N. Study of electric discharges in air gaps triggering by femtosecond laser filaments. // Int. Symp. ‘Topical problems of nonlinear wave physics’ NWP’2005, “Nonlinear Phenomena in Enviromental Research”, N. Novgorod - S. Peterburg, 2-9 August, p.16-17, 2005.
50*. Balakin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Skobelev S.A., Stepanov A.N., Fraiman G.M. Propagation of high intense femtosecond laser pulses in gas-filled dielectric capillary tubes: nonlinear effects. // The 3rd Intern. Conf. on Superstrong Fields in Plasmas,Varenna, Italy, 19-24 September, Programme and Abstracts, 2005.
51*. Kartashov D.V., Kiselev A.M., Kirsanov A.V., Kulagin D.I., Mironov V.A., Sher A.M., Stepanov A.N., Bochkarev N.N., Tikhomirov B.A. Nonlinear absorption of high power femtosecond laser radiation in atmosphere. // Abstracts & Posters of 10th Int. Conf. on Multiphoton Processes (ICOMP 2005), Orford, Quebec, Canada, October 9-14, paper 147, 2005.
52*. Alexandrov N.L., Bazeljan E.M., Bogatov N.A., Kiselev A.M., Stepanov A.N., Tikhomirov B.A., Tikhomirov A.B. Nonlinear effects of propagation of intense femtosecond laser radiation in atmosphere. // Proc. of Int. Conf. ‘High-power laser beams’ HPLB-2006, p.107, N. Novgorod-Yaroslavl, 3-8 July, 2006.
53*. Kiselev A.M., Bochkarev N.N., Ponomarev Yu.N., Stepanov A.N., Tikhomirov B.A. Photoacoustic measurement of nonlinear absorption of intense femtosecond laser radiation in molecular gases. // Techn. Progr. of XII Int. conf. ‘Laser Optics’2006’, p.34, S. Petersburg, 25-30 June, 2006.
54*. Alexandrov N.L., Bazeljan E.M., Bogatov N.A., Kiselev A.M., Sergeev A.M., Stepanov A.N., Tikhomirov B.A., Tikhomirov A.B. Nonlinear effects of propagation of intense femtosecond laser radiation in atmosphere. // Book of abstr. Intern. Conf. ALT’06, Sept. 8-12, Brashov, Romania, 2006.
55*. Kiselev A.M., Stepanov, A.N.Tikhomirov B.A., Tikhomirov A.B. Nonlinear absorption of intense femtosecond laser radiation in molecular gases. // Proc. of Intern. Conf. IAMPI’06, 1-5 October, Szeged, Hungary, 2006.
56*. D. V. Kartashov, A. V. Kirsanov, A. M. Kiselev, N. N. Bochkarev, Yu. N. Ponomarev, Stepanov A.N., B. A. Tikhomirov. Nonlinear absorption of intense femtosecond laser radiation in air. // Optic Express, v.14, N17, p.7552-7558, 2006.
57*. Бочкарев Н.Н., Карташов Д.В., Кирсанов А.В., Киселев А.М., Пономарев Ю.Н., Степанов А.Н., Тихомиров Б.А. Нелинейный оптико-акустический эффект при распространении фемтосекундного лазерного излучения в воздухе. // Сборник трудов 18 сессии Российского акустического общества. Москва. 2006. Т. 1. С. 48-51. (Москва: Изд-во ГЕОС).
58*. Киселев А.М., Пономарев Ю.Н., Степанов А.Н. , Тихомиров Б.А., Тихомиров А.А. Поглощение фемтосекундного излучения Ti:Sa-лазера атмосферным воздухом и водяным паром. // Оптика атмосферы и океана, т.19, №8, с.678-683, 2006.
59*. A. V. Kirsanov, A. M. Kiselev, Yu. N. Ponomarev, Stepanov A.N., B. A. Tikhomirov, А. A. Tikhomirov. Nonlinear absorption of power femtosecond radiation by molecular gases and air. // XV Simp. On High Resolution Molecular spectroscopy HighRus-2006, July 18-21, Tomsk, B29, p.56, 2006.
60*. Matvienko G.G. Bagaev S.N. Zemlyanov A.A. Geints Yu.E. Kabanov A.M. , Stepanov A.N. Effective parameters of high-power laser femtosecond radiation at self-focusing in gas and aerosol media. // Self-focusing: Past and Present, Springer- IQEC, 2007.
61*. Бочкарев Н.Н., Кабанов А.М., Степанов А.Н. Экспериментальное исследование филаментации мощного фемтосекундного лазерного импульса при его фокусировке. // XIII Joint International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics”. Symposium Proceedings. Tomsk, IOA SB RAS, 2007.
62*. Н.Н. Бочкарев, А.М. Кабанов, Степанов А.Н. Пространственная локализация области филаментации вдоль трассы распространения сфокусированного фемтосекундного лазер- ного излучения в воздухе. // Оптика атмосферы и океана. Т 20, № 10, 2007.
63*. Багаев С.Н., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Матвиенко Г.Г., Пестряков Е.В., Степанов А.Н., Трунов В.И. Лабораторные и численные эксперименты по прохождению мощного лазерного фемтосекундного излучения через воздушную и капельную среды. // Оптика атмосферы и океана. Т. 20, № 5, с.413-418, 2007.
64*. A.V. Kim, D.I. Kulagin, S.A. Skobelev, A.N. Stepanov. Ionization-induced spectrum transformation and ultrashort pulse self-compression. // ICONO/LAT-2007, IO3/ IV-2, Minsk, Belarus, 28 May-1 June, 2007.
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование нелинейных эффектов при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом
