Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Импульсная лазерная фотоионизация и фотоэлектронная микроскопия 32
Введение 32
1.1. От многоступенчатой фотоионизации, индуцированной наносекундным лазерным излучением, к ультрабыстрым многофотонным процессам в фемтосекундном лазерном поле 33
1.2. Сверхбыстрая фотоэлектронная микроскопия 45
Заключение 54
Глава 2. Коллинеарная резонансная ступенчатая фотоионизация редких изотопов и отрицательных ионов с использованием перестраиваемых по частоте наносекундных лазеров 56
Введение 56
2.1. Экспериментальная установка для коллинеарной лазерной фотоионизации быстрых атомов 60
2.2. Ионизация ридберговских атомов в электрическом поле 75
2.3. Фотоионизация гелия и криптона. Детектирование Не 83
2.4. Ионизация быстрых ридберговских атомов в постоянном магнитном поле 95
2.5. Коллинеарная лазерная фотоионизация отрицательных ионов 100
Заключение ПО
Глава 3. Молекулы и кластеры в сильных лазерных полях пикосекундной длительности: от молекулярной центрифуги до фотораспада Хек комплексов 114
3.1. Оптическая молекулярная центрифуга: практическая реализация и возможности 118
3.2. Ионизация Хек - комплексов в импульсном электромагнитном полепикосекундной длительности с перестраиваемой временной формой 126
Заключение 134
Глава 4. Генерация и детектирование ультракоротких сгустков фотоэлектронов, фотоионов и коротковолновых квантов (переход к аттосекундной временной шкале) 136
Введение 136
4.1. Генерация ультракоротких сгустков коротковолновых квантов (газовая мишень) и аттосекундная фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением 137
4.2. Генерация импульсного пучка фотоэлектронов фемтосекундной длительности (твёрдотельная мишень) 155
4.3. Визуализация пространственно-временной структуры импульсного фотоэлектронного пучка на выходе из острого капилляра
4.4. Микроскопия фотоионизационных процессов, происходящих внутри фокального пятна остросфокусированного высокоинтенсивного лазерного пучка, с помощью фотоэлектронных/фотоионных сгустков 180
4.5. Импульсная рентгеновская десорбция и формирование коротких фотоионных сгустков 191
Заключение 198
Глава 5. Фотоэлектронная микроскопия с использованием фемтосекундного лазерного излучения 202
Введение 202
5.1. Лазерная фотоэмиссионная микроскопия с полым остриём 206
5.2. Лазерная фотоэлектронная проекционная микроскопия органического проводящего полимера на основе полианилина 221
5.3. Динамическая просвечивающая микроскопия на основе импульсного фотоэлектронного пучка, созданного с помощью фемтосекундного лазерного излучения (первые результаты) 229 Заключение 235
Заключение к диссертации 238
Список цитируемой литературы
- Сверхбыстрая фотоэлектронная микроскопия
- Ионизация ридберговских атомов в электрическом поле
- Ионизация Хек - комплексов в импульсном электромагнитном полепикосекундной длительности с перестраиваемой временной формой
- Визуализация пространственно-временной структуры импульсного фотоэлектронного пучка на выходе из острого капилляра
Введение к работе
Актуальность
Мощное импульсное лазерное излучение способно селективно разрывать связи в веществе и создавать электронные и ионные сгустки.
Высокочувствительная регистрация фотоионов с помощью хорошо-развитой техники обеспечивает детектирование редких химических элементов с беспрецедентно низким уровнем обнаружения. Фотоэлектронная мода, формируемая в вакууме на поверхности конденсированных сред под действием интенсивной электромагнитной волны, является важным источником информации о пространственно-структурном составе вещества. Короткая длительность импульсов фемтосекундных лазеров позволяет концентрировать энергию во времени и пространстве, достигая высоких пиковых значений напряжённостей поля, что прокладывает путь в область всё более коротких временных масштабов. Фотоэмиссионные процессы в веществе обеспечивают переносимость кратковременного воздействия импульсов света на фотоэлектронные сгустки, испускаемые в результате фотоэффекта, и приводят к качественно новым возможностям для электронной микроскопии.
Актуальность выполненных исследований проявляется в широком
спектре их приложений, включающем в себя детектирование редких
изотопов, микроскопию органических структур на поверхности,
фотоэлектронную спектроскопию со сверхвысоким временным разрешением.
Полученные результаты оказали влияние на развитие коллинеарной лазерной
фотоионизации быстрых атомов и отрицательных ионов, лазерной
фотоэмиссионной проекционной микроскопии, аттосекундной
фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Накопленный багаж знаний представляет интерес для развития сверхбыстрой электронной микроскопии и дифракции в нашей стране.
Новизна
Все представленные в настоящей диссертации основные результаты получены впервые и опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных реферируемых периодических изданиях. Список публикаций автора приведен ниже.
Защищаемые положения:
Коллинеарная лазерная резонансная ионизационная спектроскопия -высокочувствительный метод исследования ускоренных атомов в пучке. Ионизация быстрых ридберговских атомов в постоянном магнитном поле сохраняет разброс в кинетической энергии пучка.
Электромагнитное излучение пикосекундной длительности с «раскручивающейся» во времени поляризацией позволяет управлять вращательной степенью свободы гомоядерной двухатомной молекулы.
Новое направление - вакуумная фемтосекундная лазерная микроскопия на основе полого острия с использованием пространственно-сжатых сгустков ионов, электронов и мягкого рентгеновского излучения.
Органические микроструктуры визуализированы методом лазерной фотоэлектронной проекционной микроскопии, когда в качестве подложки применено диэлектрическое остриё.
Профиль высокоинтенсивного остросфокусированного лазерного пучка измерен фотоионной лупой, основанной на действии расходящегося вблизи проводящего острия электрического ПОЛЯ.
Новое направление в аттосекундной физике - фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением. (Это позволяет разделить каналы ионизации, отвечающие поглощению различного числа фотонов.)
Основные результаты:
1. Впервые наблюдалась магнитная ионизация быстрых ридберговских атомов, предварительно приготовленных лазерным излучением. Показано, что такой процесс может быть использован в коллинеарной лазерной резонансной ионизационной спектроскопии.
Впервые методом коллинеарной лазерной фотоионизации исследованы двойные ридберговские состояния отрицательных ионов гелия.
2. Впервые реализована импульсная оптическая центрифуга для молекул,
позволившая осуществить их диссоциацию.
3. Разработана концепция вакуумной лазерной микроскопии с
использованием пустотелого острия. С помощью пучка заряженных частиц
визуализирована 0.1-мкм апертура на кончике кварцевого капилляра.
Впервые с помощью лазерной фотоэлектронной проекционной микроскопии
проведено исследование проводящего полимера. Впервые реализована
импульсная рентгеновская десорбция органического проводящего полимера
на основе использования мощного фемтосекундного лазерного излучения.
-
При облучении плоского тонкоплёночного металлического катода фемтосекундным лазерным излучением приготовлен импульсный фотоэлектронный пучок с начальной длительностью около 40 фс.
-
Развит новый подход в области микроскопии фотоионизационных процессов в газовой среде на основе проекционного принципа.
-
Впервые исследована генерация аттосекундных электромагнитных импульсов на трёх различных мишенях (аргон, ксенон и неон).
Практическая ценность
Детектирование редких изотопов с использованием перестраиваемых лазеров имеет явно-выраженную практическую направленность, т.к. это существенным образом дополняет информацию о состоянии окружающей среды, получаемую иными, неоптическими методами (экология). Исследования в области кластерной физики, когда на практике реализуется эффективное взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом, по ряду характеристик близкому к конденсированным средам, перспективно с точки зрения создания интенсивных источников электромагнитного излучения в области экстремального ультрафиолета (микроэлектроника). Многофотонная ионизация газа в откачиваемой камере может стать основой широкополосного профилометра, позволяющего регистрировать профиль интенсивного остросфокусированного лазерного излучения в широком
спектральном диапазоне (лазерная техника). Отметим, что такой прибор
будет иметь определённые преимущества по сравнению с уже
существующими коммерчески-доступными профилометрами
электромагнитного излучения. Работы в области фотоэлектронной микроскопии на основе пустотелого, очень тонкого острия перспективны в плане развития возможностей сканирующей зондовой микроскопии (потенциальное расширение рынка сканирующей микроскопии).
Личный вклад автора
Основная часть результатов, выносимых на защиту, получено лично автором. Большинство публикаций по теме диссертации подготовлены также лично автором.
Апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 39 работ в периодических реферируемых научных изданиях, 1 монография и 24 работы в сборниках международных научных конференций.
Структура диссертации
Сверхбыстрая фотоэлектронная микроскопия
Фотоионизация атомно-молекулярных структур и фотоэлектронная эмиссия из конденсированных сред, фотоэффект, являются основными процессами в современных областях исследований, связанных с применением импульсных лазерных источников. Не в последнюю очередь это обусловлено тем, что существующие экспериментальные возможности позволяют обеспечить весьма высокую чувствительность регистрации таких процессов.8 Их изучение привлекает внимание многочисленных исследователей как с точки зрения развития теории, так и в практическом аспекте, включая проведение масштабных экспериментов и разработку аналитических приложений.
Для перевода вещества в ионизованное состояние при пересчёте на один испущенный электрон часто оказывается недостаточным поглощения
Хорошо развитая техника детектирования ионов и электронов, например, на основе микроканальных пластин и вторичных электронных умножителей, позволяет подойти к регистрации одиночных заряженных частиц. одного кванта из падающего лазерного излучения: обычно их требуется несколько, иногда - существенно больше одного. Подобная «многоквантовость»9 напрямую связана с применением распространённых импульсных лазерных источников, работающих в видимом, близком УФ или близком ИК спектральных диапазонах. При этом потенциал ионизации атомной системы, либо работа выхода в случае конденсированной среды чаще всего существенно превосходят энергию кванта электромагнитного излучения. Ионизационные схемы, реализуемые в таких экспериментах, обладают важными преимуществами. Остановимся на двух из них. Во-первых, это возможность достижения высокой селективности процесса многоступенчатой фотоионизации, что особенно важно для спектроскопии редких изотопов и оптического анализа химических элементов, присутствующих в исследуемых образцах в ультра-малых количествах. Во-вторых, это базис для развития новых направлений в естествознании, в частности аттосекундной физики, основанных на многофотонных процессах в сильном лазерном поле, а также для исследований в области импульсной фотоэлектронной микроскопии. Многофотонные и каскадные многоступенчатые процессы в веществе, осуществляемые с достаточно высокой эффективностью, являются отличительной чертой применения мощных импульсных лазерных источников во многих сферах. Это -нелинейная оптика [1], фотоионизационная лазерная спектроскопия [4], селективная лазерная фотохимия и детектирование единичных атомов [5], фемтосекундная лазерная спектроскопия [6], лазерная обработка материалов [7] и многое другое.
В многофотонных процессах, переход электрона с одного связанного уровня на другой, либо в континуум сопровождается поглощением-испусканием нескольких фотонов. Подобное проявление соотношения
Возвращаясь к шутливому эпиграфу, здесь 2 - уже много. неопределённостей энергии и времени, что с квантово-механической точки зрения реализуется в возбуждении виртуальных уровней, зачастую представляет наибольший интерес в разделе современной оптики, рассматривающей применение высокоинтенсивного электромагнитного излучения. При этом его спектральный состав во многих случаях, особенно, когда речь идёт непосредственно о фотоионизации, не играет первостепенной роли, что кардинально отличатся от многоступенчатых, резонансных каскадных процессов в атомах и молекулах.
Перестраиваемые по частоте лазеры, работающие в наносекундном временном диапазоне, оказались удобными инструментами для реализации многоступенчатой резонансной фотоионизации атомов. Важными приложениями этого метода стали атомная спектроскопия высокого разрешения и высокочувствительный элементный анализ [4]. Использование быстрого атомного пучка с кинетической энергией в диапазоне от нескольких кэВ и выше послужило основой метода коллинеарной лазерной фотоионизации, которая обладает целым рядом достоинств. Во-первых, ускоренные до определённой кинетической энергии атомы, относящиеся к одному и тому же химическому элементу, но являющиеся разными изотопами, двигаются с различными скоростями. Соответственно, при коллинеарном облучении, вследствие эффекта Допплера появляется возможность обеспечить изотопически-селективное оптическое возбуждение энергетических уровней. Во-вторых, в результате группировки по скоростям для быстрых атомов10 происходит сжатие неоднородно-уширенного контура
Пусть в процессе электростатического ускорения для ионов, которые затем предполагается конвертировать в нейтральные атомы в перезарядной ячейке, разброс в кинетической энергии АК практически не изменяется, что часто оказывается удовлетворительным приближением. Нетрудно убедиться с помощью хорошо известного соотношения К = MV /2, что разброс в скоростях, который и определяет ширину контура линии поглощения, уменьшается при переходе к быстрым атомам (ионам), как INK. (Для линии поглощения, что обеспечивает высокую эффективность возбуждения атомов квазимонохроматическим лазерным излучением. В-третьих, имеется возможность эффективным образом заселять метастабильные состояния в атомах с высоким потенциалом ионизации в результате перезарядки на парах щелочного металла быстрых ионов данного химического элемента, что позволило использовать электромагнитное излучение в видимом спектральном диапазоне и ближнем УФ диапазоне для ступенчатой резонансной ионизации атомов даже благородных элементов. Такие свойства обеспечили привлекательность данного метода в лазерной спектроскопии [4] и послужили основой для оптического детектирования редких изотопов в ускоренном атомном пучке [8-15].
Как оказалось, данный метод можно распространить на исследования в области физики отрицательных ионов. Используя коллинеарную лазерную фотоионизационную спектроскопию, были получены новые результаты, относящиеся к двум самым лёгким химическим элементам: водороду, включая изотоп дейтерий, и гелию [16, 17]. Отрицательные ионы формировались в результате прохождения положительно-заряженного ионного пучка данного химического элемента сквозь пары щелочного металла, после чего с помощью электростатического поля анионы отделялись от исходного пучка и направлялись в область эксперимента для проведения оптических измерений.
Ионизация ридберговских атомов в электрическом поле
Как уже неоднократно упоминалось, серьёзным ограничением метода детектирования редких изотопов на основе фотоионизации быстрых атомов являются столкновительные процессы с участием атомов основного изотопа и молекул остаточного газа в вакуумной камере. Сечения столкновительного возбуждения ридберговских состояний (п 30) - весьма малы, а 10" см [10]. Однако эти атомы образуются по всей длине области оптического возбуждения, и их невозможно отличить от атомов редкого изотопа, т.к. ионизуются в тех же точках ионизатора, что и редкие атомы. Второй вклад в фоновый сигнал вносит столкновительная ионизация в месте, где происходит полевая ионизация ридберговских атомов. Сечение столкновительной ионизации примерно -10" см [10, 177]. Вклад этого процесса в фоновый сигнал пропорционален длине области в ионизаторе, из которой фотоионы попадают на детектор, поэтому его величина зависит от ионизатора и ширины щели перед детектором. Отметим, что ионы, образовавшиеся за счёт столкновений в области оптического возбуждения, не попадали на ВЭУ: они выводились из пучка фильтрующим конденсатором на входе в ионизатор f2 (рис. 1). Расчёт фонового сигнала за счёт столкновительной ионизации проводился следующим образом. Для каждой точки ионизатора вычислялось напряжение U+ = - U. , которое необходимо приложить к цилиндрам, чтобы отклонить образовавшиеся в данной точке ионы на детектор (рис. 4). Далее предполагалось, что величина фона при данном значении U+ = - U. -пропорциональна длине области, в которой образовавшиеся за счёт столкновений ионы имеют одинаковую энергию. Рассчитанная зависимость для продольной схемы ионизации представлена на рис. 5-а. Здесь предполагалось, что на детектор могли попасть ионы с разбросом в кинетической энергии, равным 10 эВ. Видно, что имеется удовлетворительное согласие расчёта с экспериментом (рис. 5-Ь). Для поперечной схемы ионизации получено также хорошее согласие расчёта (рис. 6-а) с экспериментом (рис. 6-Ь).
Потенциал U. (С/. = - U+), прикладываемый к ионизатору (рис. 3) и обеспечивающий попадание ионизованных атомов на детектор, как функция от точки ионизации для продольной схемы ионизации, когда Ui = - U/ = - 2 кВ. (Аналогичную зависимость несложно получить и для ионизатора с поперечным полем). 600
Зависимость фонового сигнала от потенциала U. (С/. = - U+), прикладываемого к ионизатору (рис. 3), для продольной схемы ионизации, когда С/, = - [//= - 2 кВ. а) - расчёт; Ь) - эксперимент. I
На рис. 7 показана схема уровней атома Не. Осуществление резонансной фотоионизации этих атомов с помощью наносекундных лазеров, стартуя с основного состояния, технически весьма сложно, т.к. для этого необходимо излучение с длиной волны около 58.5 нм на I ступени возбуждения. Поэтому лучше воспользоваться другим подходом. Квазирезонансная перезарядка быстрых ионов гелия на парах щелочного металла позволяет приготовить быстрые нейтральные атомы Не, заселённые на высоколежащие метастабильные уровни 2 S и 2 S. Для этой цели удобно воспользоваться калием: энергия связи электрона в вышеуказанных метастабильных состояниях близка к потенциалу ионизации К (рис. 7).
Диаграмма уровней гелия и калия. Радиационные времена жизни 2 S и 2 S составляют 0.02 с и 7900 с, соответственно [182]. Атомы гелия, оказавшиеся в результате перезарядки в состоянии 2 Р, за время приблизительно 100 не [182] переходят на уровень 2 S. Для пучка с энергией 1 кэВ около 3/4 атомов Не оказываются в триплетном метастабильном состоянии.
Изотопически-селективное возбуждение атомов Не осуществлялось по схеме: 23S —» 33Р0, і, 2 — n3S; n3D (рис. 7). Это позволяло использовать электромагнитное излучение в видимом и ближнем УФ спектральных диапазонах для двухступенчатого резонансного заселения высоколежащих атомных уровней (A,i «389 нм, \2 796 нм).
Эффективность фотоионизационной схемы связана с максимальным количеством фотоионов, которое может быть зарегистрировано за один лазерный импульс. После перезарядной ячейки только часть атомов r\ch находится в триплетном состоянии. Под действием лазерного возбуждения на ридберговский уровень может быть переведена доля атомов гех. При насыщении обоих переходов неполяризованным лазерным излучением и одновременном действии двух лазерных импульсов гех = g/Zgi, где gf = 21 + 1 - кратность вырождения конечного состояния, a Sg; - сумма вырождений всех уровней используемой схемы. Для гелия гех = 3/15; 15/27 при возбуждении n S0, і и n D: 2, з состояний, соответственно. Однако линейно-поляризованное лазерное излучение может возбудить ТОЛЬКО СОСТОЯНИЯ С ГП] = 0, +1. Поэтому для n S и n D- состояний rex = 3/13; 9/19, соответственно. В действительности из-за неполной поляризации лазерного излучения, по-видимому, в нашем случае реализовывался некоторый промежуточный случай: на I ступени, где переход был сильно перенасыщен, возбуждались и состояния с т/ = 2 промежуточного З Р уровня. В этом случае, rex = 3/15; 13/25 при возбуждении n S и n D состояний, соответственно. Другой фактор rjrad связан с конечным временем жизни ридберговского атома TRy:
Ионизация Хек - комплексов в импульсном электромагнитном полепикосекундной длительности с перестраиваемой временной формой
Таким образом приведённые оценки подтверждают, что ансамбль электронов, полученный в процессе эмиссии из твёрдотельного катода под действием фемтосекундного лазерного излучения, содержит компоненту с фемтосекундной длительностью. (Естественно, что эти фотоэлектроны
Для нерелятивистского электрона, понятие пондеромоторного потенциала в пространственно-неоднородном электромагнитном поле Е = Eo(r)sm((ot) наиболее просто вводится с помощью усреднения соответствующего гамильтониана по быстрым осцилляциям с частотами со и 2со: характеризуются ультракороткой длительностью лишь в непосредственной близости от области эмиссии, а в процессе распространения фотоэлектронного пучка происходит его временное расплывание: для уменьшения влияния кулоновского расталкивания на длительность сгустка, целесообразно использовать высокие значения ускоряющего электрического поля). В проведённом эксперименте использованы тонкоплёночный профилированный золотой катод и высокочувствительная система регистрации фотоэлектронного пучка.
Используя ультракороткий пучок фотоэлектронов, нами продемонстрирован метод исследования силы Гапонова-Миллера, пространственного градиента пондеромоторного потенциала,63 основанный на отклонении импульсного электронного сгустка при облучении его остросфокусированным интенсивным фемтосекундным лазерным излучением и регистрации фотоэлектронного сигнала с помощью позиционно-чувствительного детектора [231]. Полученные данные позволили оценить абсолютное значение силы, создаваемой остросфокусированными 800-нм фемтосекундными лазерными импульсами. Экспериментально показано, что величина этой силы зависела линейным образом от интенсивности лазерного излучения. Данный метод позволяет осуществлять проверку корректности измерения длительности ультракороткого электронного импульса, основанного на облучении в вакууме электронного сгустка лазерными импульсами высокой интенсивности.
Использование пондеромоторного потенциала, создаваемого высокоинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, позволяет осуществить деформацию пространственно-скоростного распределения распространяющихся в вакууме электронов. Теоретически показано [232], что оптическая модификация электронных пучков фемтосекундным лазерным излучением сверхвысокой интенсивности открывает возможности формирования электронных сгустков с длительностью около 50 фс. Приведены примеры оптического управления формой электронных пучков на основе отклонения, отражения, фокусировки и расщепления электронных импульсов [232]. В работе [233] с помощью компьютерного эксперимента продемонстрирована возможность за счёт действия пондеромоторного потенциала в сталкивающихся мощных лазерных пучках ультракороткой длительности формировать сгустки субфемтосекундной длительности. Однако надо признать, что экспериментальная демонстрация создания аттосекундных электронных импульсов по методу [233], включая измерение их длительности, в настоящее время представляет довольно серьёзные трудности.
Визуализация пространственно-временной структуры импульсного фотоэлектронного пучка на выходе из острого капилляра
Для одновременного достижения высокого пространственного и временного разрешения использован оригинальный фотоэлектронный микроскоп, основанный на пропускании ультракороткого электронного пучка сквозь диэлектрический очень тонкий капилляр [234, 235].64 В использованной схеме исследуемый объект (например, массив нанотрубок) может помещаться вблизи апертуры капилляра, на его кончике, для создания
Методам управления непрерывными пучками заряженных частиц (ионов, электронов) с помощью микроотверстий в диэлектрических материалах посвящен ряд исследований [например, 236 - 238]. Значительный интерес к этой области вызван как задачей создания перспективных элементов ионной и электронной оптики, так и изучением физических процессов, происходящих внутри непроводящих каналов при распространении заряженных частиц сквозь такие материалы и позволяющим осуществить исследование самого канала. тенеграммы образца. При этом фотоэлектронное изображение выходной апертуры на позиционно-чувствительном детекторе позволяет экспериментально установить коэффициент пространственного увеличения [235]. Такой подход может быть положен в основу чрезвычайно компактного импульсного микроскопа с высоким пространственным увеличением 104 -е-106, в котором остриё металлической иглы, облучаемой фемтосекундным лазерным пучком, и кончик диэлектрического капилляра, в окрестности которого сфокусировано мощное фемтосекундное излучение, могут быть разделены промежутком порядка 10 мм. Последнее обстоятельство позволяет полностью исключить перекрёстное влияние на динамику электронов переменных электромагнитных и статических электрических полей, существующих как вблизи острия иглы, так и в окрестности апертуры капилляра. Отметим, что использование диэлектрического капилляра для коллимации фотоионов в нанометровом диапазоне и получения пространственно сжатого ионного пучка является весьма перспективным также в плане создания компактного ионного микроскопа, работающего в импульсном режиме [239].
В эксперименте электроны, полученные в результате облучения стальной иглы парой фемтосекундных лазерных импульсов с фиксированной пикосекундной временной задержкой, пропускались сквозь кварцевый капилляр с диаметром выходной апертуры dcap = 2 мкм (рис. 35). Такой
режим фотоэмиссии позволял на выходе капилляра получить соответственно два фотоэлектронных импульса с той же временной задержкой и тем самым ввести в измерения и обработку данных хорошо определённый интервал времени. Выбор 2-мкм капилляра был продиктован удобством контроля подвода лазерного пучка к его кончику.
Визуализация пространственно-временной структуры импульсного фотоэлектронного пучка на выходе из острого капилляра
Для детектирования ионов использован вторичный электронный умножитель ВЭУ-2, соединённый с усилителем. На первый динод ВЭУ приложен потенциал Udet = -3.6 кВ. После усиления сигнал регистрировался цифровым осциллографом. Представленные в данной работе наблюдения осуществлялись в режиме одиночного фемтосекундного лазерного импульса.
В основной части работы проводилось сравнение фотоионных сигналов от подложки без полианилина (чистая» подложка), и при нанесении раствора органического полимера ПАН. После нанесения образец высушивался и помещался в вакуумную камеру. Важно отметить, что в нашем эксперименте после нескольких первых рентгеновских импульсов, удаляющих, по нашему мнению, легколетучие примеси с поверхности, фотоионный сигнал, полученный в результате последующей рентгеновской десорбции, оставался стабильным с точностью не хуже 10 % в течение последующих нескольких десятков лазерных импульсов.
Времяпролётные масс-спектры, полученные при облучении рентгеновским импульсом «чистой» подложки (тонкая линия) и подложки с органическим полимером (толстая линия), (а) - обзорный масс-спектр, (Ь) - фрагмент масс-спектра для M/q менее 350. Стрелка на панели (а) соответствует положению молекулярного фотоиона (СбНб1М)+.
При облучении мягким рентгеновским излучением «чистой» подложки наблюдался одиночный основной пик (тонкая линия на рис. 43-а, 3-Ь), который, вероятно, обусловлен рентгеновской фрагментацией подложки. Когда на подложку был нанесён образец с органическим полимером, распределение фотоионов во времени представлено несколькими пиками (рис. 43, толстая линия). Напомним, что полианилин состоит из повторяющихся N-фенил-п-фенилендиаминных и хинондииминных блоков, причём в составе каждого блока имеется 2 бензольных кольца и 2 атома азота. Стрелка на рис. 43-а соответствует положению молекулярного фотоиона (C6H6N)+.
В эксперименте по фотодесорбции образец облучался одиночными остросфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 800 нм и энергией в районе 0.02 мДж. При этом интенсивность лазерного излучения в фокусе достигала Ithr 4x10 Вт/см . Эта величина соответствовала порогу фотодесорбции данного полимера, и при уменьшении лазерной интенсивности до 0.9Ithr фотоионный сигнал практически исчезал. Полученный масс-спектр представлен на рис. 44. Можно отметить, что при облучении образца с полимером фемтосекундными лазерными импульсами с длинами волн 800 нм и 400 нм масс-спектры качественно не отличались. На наш взгляд, переход от тяжёлых масс (рис. 43) к существенно более лёгким (рис. 44) демонстрирует отличие режима «мягкой» десорбции рентгеновским импульсом от плазменного характера фотодесорбции интенсивным лазерным излучением видимого диапазона, приводящей к более глубокой фрагментации полианилина.
Времяпролётный масс-спектр, полученный при облучении полианилина фемтосекундными лазерными импульсами с X = 800 нм. Тяжёлые массы (М/q 10 ) отсутствовали в масс-спектре.
Таким образом, с помощью компактного импульсного рентгеновского источника на основе фемтосекундного лазера впервые продемонстрирована возможность десорбции сложных молекулярных комплексов, входящих в состав проводящего органического полимера. Для этого использована металлическая мишень, облучаемая ультракороткими лазерными импульсами с энергией на уровне нескольких мДж/имп. Подчеркнём, что наш образец помещался всего в нескольких сантиметрах от плазменного источника мягкого рентгена, что позволило существенно увеличить вероятность десорбции и проводить измерения в режиме одиночного задающего фемтосекундного лазерного импульса. При этом разрушения самой подложки ионами из плазменного источника нами визуально не наблюдалось. Использование рентгеновского сгустка, создаваемого в результате коллимации мягкого рентгеновского импульса в кварцевом 100-нм капилляре [250], открывает возможность для изучения сложных молекулярных комплексов на поверхности с высоким пространственным разрешением и высокой химической селективностью.
Таким образом высокочувствительные методы на базе использования современной импульсной лазерной техники обеспечивают возможность достижения высокого временного и высокого пространственного разрешения при исследовании вещества. Аттосекундная физика основана на использовании нелинейного взаимодействия высокоинтенсивного импульсного лазерного поля с атомарной мишенью,69 что позволяет формировать коротковолновые электромагнитные сгустки длительностью существенно короче 1 фемтосекунды. В данной главе описаны первые эксперименты в области фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, выполненные с применением таких электромагнитных сгустков [212, 213]. Они открыли новое направление исследований: в разделе современной аттосекундной физики основная часть экспериментальных работ выполняется в условиях, когда испущенные под действием ультракоротких электромагнитных импульсов заряженные частицы анализируются с угловым разрешением [223]. Это является не столько
В этих целях может быть использована также молекулярная или твёрдотельная мишень, но такого рода исследования проводятся реже. проявлением принципа «наука должна быть экономной», сколько потребностью обеспечить максимально возможное понимание физических процессов в веществе, происходящих на очень коротких временных масштабах. Широкий спектр аттосекундного электромагнитного излучения в комбинации с мощным фемтосекундным лазерным излучением ближнего ИК диапазона, приводит к многообразию ионизационных каналов, что особенно проявляется в молекулярных системах [260]. Это не только 1-фотонная ионизация с участием коротковолнового кванта, но и многофотонные, в том числе, интерференционные процессы, в определённом смысле напоминающие модель Коркума-Кучиева [219, 220]: фотоэлектроны, испущенные под действием аттосекундного импульса, могут распространяться затем в сильном, быстроосциллирующем ИК поле и даже сталкиваться с родительскими ионами. В экспериментальной схеме с угловым разрешением появляется возможность отделить разные каналы фотоионизации друг от друга, т.к. фотоэлектроны, полученные в результате поглощения разного количества квантов, отличаются своим угловым распределением [261].