Введение к работе
Создание в последнее десятилетие новых типов интенсивных источников импульсного лазерного излучения стимулировало исследования, связанные с поведением вещества в состояниях, далеких от равновесных условий. Такая постановка проблемы характерна не только для фундаментальных исследований по физике, химии, биологии, но и прикладных, направленных на разработку новых перспективных технологий.
Энергия лазерного излучения может быть сконцентрирована в пространстве и во времени. Это позволяет осуществлять предельно высокие удельные энерговклады в вещество в контролируемых условиях, что невозможно в рамках других подходов. Высокие удельные энерговклады, в свою очередь, могут радикально влиять на физику протекания самого процесса взаимодействия излучения с веществом, существенно модифицировать параметры вещества, могут позволить выйти на решения новых задач, связанных с термодинамикой нелинейных необратимых процессов, характерных для сильно неравновесных систем. Яркими примерами реализации сильно неравновесных процессов при "дозированном" переводе молекулярных гистем в состояния экстремального возбуждения являются резонансное ПК многофотонное поглощение и диссоциация молекул в газовой фазе, направленные ИК лазерно-радикальные газофазные реакции, инициируемые в результате сильно неравновесного ИК фотолиза яолекул в газовых смесях. Процессы релаксации энергии в молекулярной :истеме, находящейся в сильно неравновесных условиях, обнаруживают іелинейньїе явления в динамике энергообмена. Это нелинейная «шебательно-поступательная (V-T) и колебательно-колебательная (V-V ) эелаксация, нелинейная диффузия и т.д. в сильно возбужденных молекулярных газах, когда температура газа в течение определенного $ремени после начала процесса возбуждения не меняется, а запас солебательных квантов существенно преышает равновесное значение. В івою очередь нелинейные процессы, возникающие при резонанасном
взаимодействии интенсивного лазерного излучения с молекулярное средой, могут быть как источником новой информации о среде (каналь возбуждения, нелинейная восприимчивость и т. д. ), так и эффективнс способствовать преобразованию энергии по частоте в другие спектральные диапазоны (генерация высших гармоник, сложение чаете; и т. д.).
Прогресс в технике генерации сверхкоротких лазерных импульсої (пико- и фемтосекундный диапазон длительностей), четк< обозначившийся в конце 70-х - начале 80-х гг., позволил сформулироваті принципиально новые подходы к решению задач, связанных < возбуждением и исследованием вещества в сильно неравновесных экстремальных состояниях.
Ситуация с постановкой экспериментов по физике сильні неравновесных явлений стала радикально меняться, когда возниклі перспективы широкого практического использования нового поколение мощных лазерных источников сверхкороткой длительности, способные функционировать в широком спектральном диапазоне: от УФ до среднеп ИК. Одновременно стали понятными и требования, которым долгкні удовлетворять не только лазеры, но и усилители, входящие в состав эти: систем. Если для задающих лазеров необходимым условием был формирование требуемых стабильных параметров генерируемое излучения низкого энергетического уровня (длительность импульса спектр, длина волны, высокое пространственное качество, способность : точной синхронизации с другими источниками), то для усилителей наряду с главным требованием широкой полосы усиления, выдвигалос требование на сохранение качества излучения (высока; пространственная и временная когерентность, контраст), без которог невозможны эксперименты по реализации режима, характеризуемог экстремально высокими энерговкладами.
Тенденция на создание мощных лазерных систем нового поколения, которых бы сочетались получение предельно коротких, высокостабильны импульсов с их последующим эффективным усилением (приче:
необязательно в активной среде, подобной среде "задающего" лазера, формирующего длину волны и длительность светового импульса), стала доминирующей и привела к концепции тераваттных фемтосекупдных лазерных систем "настольного" типа. Они начали разрабатываться во второй половине 80-х годов в УФ, ближнем и среднем ИК диапазонах.
Системы такого типа с длительностью импульса генерации менее
10~12сек оказались доступными для обычных лабораторий. Они позволили выйти на принципиально новый уровень изучения вещества в экстремальных условиях при энерговкладах, достигающих гигантских величин Ю^Дж/см3, когда за время взаимодействия сверхкороткого импульса излучения с веществом, процессы энергообмена не успевают обеспечивать вынос выделившейся энергии из зоны взаимодействия, а напряженность в поле световой волны может превышать напряженность внутриатомного поля (порядка 109В/см). Это соответствует интенсивности лазерного излучения ~1016Вт/см2. В этом случае реализуется так называемый режим сверхсильного светового поля.
Работы, проведенные в этом направлении, были в значительной мере обязаны прогрессу в создании нового поколения твердотельных лазеров сверхкороткой длительности.
Таким образом, бурпое развитие мощных фемтосекундных лазерных систем и сверхбыстродействующих методов диагностики инициированных ими явлений привело к формированию нового направления исследований быстропротекающих высокоэнергетических физических процессов-физике пико- и фемтосекундных явлений в веществе, находящемся в сильно неравновесном, экстремальном состоянии. На сегодня эти исследования могут быть обеспечены лазерным излучением с поистине гигантской интенсивностью, достигающей ~1021Вт/см2. Развитие техники генерации сверхинтенсивных импульсов позволило ввести в круг исследований новый физический объект- высокотемпературную, сильноградиентную, сильно неравновесную приповерхностную плазму с плотностью, близкой к твердотельной. Такая плазма отличается нелинейностью, позволяющей эффективно генерировать гармоники
основного излучения, в том числе и в условиях резонансного возбуждена поверхностных электромагнитных волн. Эта плазма является мощньп источником некогерентного рентгеновского излучения сверхкоротко) длительности.
Таким образом, при фокусировке мощного импульсного лазерное
излучения может быть обеспечены условия сильного возбуждение
вещества с одновременным его переводом в сильно неравновесно^
состояние как при резонансном, так и нерезонасном режима:
взаимодействия. При этом могут проявляться новые фундаментальны-
свойства вещества, в том числе проявление нелинейности в механизма:
трансформации поглощенной световой энергии. Особенно интересно
становиться ситуация, когда в результате фокусировки светового ггучк;
развиваемые световые поля, становятся сравнимыми или превышаю
внутриатомные электрические или магнитные поля. Получени
сверхсильных световых полей за счет использования излучения пико- і
фемтосекундной длительности на лазерных установках с относительн
небольшой выходной энергией позволяет осуществлят
широкомасштабные исследования быстропротекающи:
высокоэнергетических процессов в различных разделах физики, включа: физику высокотемпературной плазмы и сверхсильных ударных волї моделирование внутриядерных и астрофизических процессов. В связи этим постановка экспериментов по воздействию сверхинтенсивног излучения на вещество, их методическое обоснование представляютс, чрезвычайно актуальными.
Резонасное взаимодействие интенсивного импульсного излучени; среднего ИК диапазона с молекулярными объектами отвечав актуальным задачам нового быстропрогрессирующего направлени. исследований по кинетическим процессам в неравновесной молекулярно; физике. Здесь существенным является, помимо высокой интенсивност: лазерного излучения и короткой длительности времени взаимодействие также и высокая спектральная яркость излучения. Все это в цело; определяет эффективность возбуждения молекулярной системь
Приобретение избыточного запаса внутренней энергии может радикально изменять свойства вещества, его физико-химическую кинетику, оптические свойства и др.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование нелинейных процессов взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом в сильно неравновесных, экстремальных условиях и разработка лазерных систем нового поколения, генерирующих излучение высокой интенсивности и сверхкороткой длительности в УФ, видимом и ИК спектральных диапазонах. В этом плане были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать, создать и исследовать основные характеристики
твердотельных лазеров на гранате, аллюминате иттрия с отрицательной
обратной связью и управлением добротностью резонатора, позволяющих
генерировать высокостабильные и воспроизводимые импульсы
пикосекундпой длительности.
-
Разработать и создать мощную пикосекундную лазерную систему перестраиваемую по длине волны в десятимикронном диапазоне на основе твердотельного пикосекундного лазера с управлением добротностью резонатора в сочетании со схемой двухкаскадной генерации разностной частоты с участием процесса параметрического усиления, регенеративного СОз усилителя высокого давления, а также методиками управления спектром генерации.
-
Исследовать процессы многофотонного возбуждения молекул под действием интенсивных широкополосных коротких и сверхкоротких импульсов ИК излучения, выявить особенности релаксации колебательной энергии и преобразования излучения при резонансном взаимодействии интенсивного излучения десятимикронного диапазона с молекулярными газами.
4. Разработать и создать фемтосекундную лазерную систему
сверхсильного светового светового поля в УФ, видимом и ближнем ИК
диапазонах, изучить параметры системы.
5. Исследовать характеристики приповерхностной фемтосекундної плазмы, создаваемой излучением мощной фемтосекундной системі сверхсильного светового поля и моделирующей поведение вещества сильно неравновесном, экстремальном состоянии, а также изучит: возможности эффективного преобразования энергии лазерного излучение в новые спектральные диапазоны.
Научная новизна:
Впервые разработан твердотельный пикосекупдный лазер отрицательной обратной связью и управлением добротностью резонатор в качестве стартового высокостабильного источника сверхкоротки импульсов в мощных пико-и фемтосекундных лазерных системах.
Предложенный метод двухкаскадной генерации разностной частоты участием процесса параметрического усиления использован для создани, схемы формирования пикосекундных импульсов в десятимикронно] диапазоне, где в настоящее время отсутствуют эффективные методі синхронизации мод.
В схеме параметрического генератора инжекционного типа н кристалле LBO впервые достигнута интенсивность светового излучени 1~1014Вт/см2, близкая к интенсивности сверхсильного светового поля .
Впервые создан источник сверхкоротких рентгеновских импульсов мягком рентгеновском диапазоне (40-60А) с интенсивностью -109Вт/см2.
Обнаружен новый класс нелинейных явлений релаксаци колебательной энергии, характер протекания которых зависит от уровн возбуждении молекул.
Впервые получена генерация второй гармоники сверхинтепсивног фемтосекундного излучения в индуцированной высокотемпературно приповерхностной плазме в условиях резонансного возбуждени поверхностных электромагнитных волн.
Практическая значимость.
Разработанный твердотельный пикосекундный лазер с отрицательно обратной связью и управлением добротностью резонатора може
применяться как высокостабильный источник сверхкоротких импульсов для решения задач лазерной физики и нелинейной оптики.
Разработанная схема двухкаскадной генерации разностной частоты в режиме параметрического усиления может служить схемой формирования пико- и субпикосекундиых импульсов в среднем ИК диапазоне, где в настоящее время отсутствуют эффективные методы синхронизации мод.
Созданный пикосекундный лазерный комплекс десятимикронного диапазона может применяться для лазеро-химических задач и ИК спектроскопии с временным разрешением.
Созданный фемтосекундный лазерный комплекс видимого и УФ диапазонов может быть использован для формирования и исследования характеристик приповерхностной высокотемпературной плазмы, генерации некогерентного пикосекундного рентгеновского излучения, а также для пакачки фемтосекундного параметрического генератора света.
Разработанный параметрический генератор на кристалле LBO может быть применен в задачах нелинейной лазерной спектроскопии.
Разработанный источник сверхкоротких некогерентных рентгеновских импульсов может быть использован для создания рентгеновского спектрометра с высоким временным и пространственным разрешением.
Генерация второй гармоники сверхинтенсивного фемтосекундного
излучения в лазерно-индуцированной высокотемпературной
приповерхностной плазме в условиях возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) может стать способом эффективного преобразования частоты.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Разработка и экспериментальная реализация метода генерации высокостабильных сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с пассивной синхронизацией мод на основе двухступенчатого управления добротностью резонатора с использованием отрицательной обратной связи (ООС), позволившего создать лазерные системы ИК, видимого и УФ диапазонов на базе пикосекундных твердотельных лазеров с ООС.
2. Схема двухкаскадной генерации разностной частоты в условия?
параметрического усиления, которая позволяет, стартуя от непрерывной
излучения СОг лазера малой мощности, получать сверхкороткие световьк
импульсы в диапазоне 10 мкм с энергией, достаточной для инжекции і
регенеративный усилитель. Схема фазовой кросс-модуляции npj
взаимодействии с волной электронной плотности в полупроводниках пае'
возможность формировать импульсы излучения с монотонно меняющейс*
мгновенной частотой. Создапная система обеспечивает генерацию мощныз
перестраиваемых по длине волны пикосекундных импульсої
десятимикрошюго диапазона.
3. Создание комплекса оригинальных методик, комбинаций exes
четырехфотонных параметрических процессов на колебательно
вращательных резонанасах с обертонами ИК активных колебаниі
молекул (генерация третьей гармоники (ГТГ), генерация суммарно]
частоты (ГСЧ), вырожденное четырехволновое взаимодействие (ВЧВ)) дл:
исследования нелинейных процессов возбуждения и релаксации знергиі
в многоатомных молекулах и результаты исследований этих процессоЕ
возникающих под действием коротких и сверхкоротких импульсо:
десятимикронного диапазона.
4. Колебательно-поступательная и колебательно-колебательна;
релаксации при сильном ИК-лазерном возбуждении многатомны:
молекул являются нелинейными процессами.
-
Результаты исследований процесса многофотонного резонансноГ' возбуждения молекул этилена под действием цуга интенсивны: пикосекундных импульсов десятимикронного диапазона, в которы: установлено, что в диапазоне плотностей энергии вплоть до 1кДж/см насыщение поглощения отсутствует; последнее связано с новым] каналами поглощения лазерной энергии в результате генерациі радикалов-винилидена.
-
Создание фемтосекундной системы сверхсильного светового поля твердотельным пикосекундным лазером с пассивной синхронизацией мо, и управлением добротностью резонатора (на основе схемы с ООС)
качестве задающего генератора и выходными генераторами мощного светового излучения со следующими параметрами:
- в видимом диапазоне (0г59-0.63мкм) с использованием лазера на красителях генерируются световые импульсы длительностью 200-400фс с интенсивностью при фокусировке на поверхность твердотельной мишепи >1916 Вт/см2; - в УФ диапазоне (0,308мкм) с использованием ХеС1 эксимерного усилителя генерируются импульсы длительностью ~350фс и
интенсивностью на мишени > 1016 Вт/см2; - в ближнем ИК диапазоне (1,3-1.5мкм) с использованием параметрического генератора света инжекционного типа на кристалле LBO генерируются световые импульсы длительностью ~350фс и интенсивностью при фокусировке ~1014Вт/см2.
7. Неколлинеарная генерация второй гармоники при отражении от
поверхности нелинейной среды (в том числе и сильно неравновесной)
может использоваться для бесфонового корреляционного измерения
длительности фемтосекундных импульсов в широком диапазоне длин
волн.
8. Сильно неравновесная фемтосекундная плазма в сочетании с
резонансными фокусирующими зеркалами может быть использована для
получепия выеокоинтенсивных некогерентных рентгеновских импульсов
сверхкороткой длительности; в такой плазме эффективность
преобразования частоты сверхинтенсивного излучения повышается в
условиях возбуждения поверхностных электромагнитных волн.
Апробация результатов
Основные результаты, описанные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная конференция по Когерентной и Нелинейной Оптике (Ленинград 1978, Киев 1980, Ереван 1982, Москва 1985, Минск 1988, С.Петербург 1991, 1995), Всесоюзная и Международная конференции Оптика лазеров (Ленинград 1984, 1987, 1990, С.-Петербург 1993, 1995), Международный симпозиум по Оптической спектроскопии (ГДР, 1986),
Международный симпозиум по Сверхбыстрым явлениям в спектроскопии UPS (ГДР; 1989, ФРГ, 1991; Литва, 1993; Италия, 1995), Международная конференция по Квантовой электронике CLEO (США, 1991) Международный симпозиум по Оптической Технике "SPIE ОЕ LASE' (США, 1991, 1992), Международная конференция Лазеры и сверхбыстрые процессы (СССР, 1991), Международная конференция по Сверхсильньгл полям и генерации коротковолнового излучения (Франция, 1994) Европейская конференциия по Молекулярной спектроскопии EUCMOS (ФРГ, 1994), Международный симпозиум по Перспективным материала!, в оптике и оптоэлектронике ALT"95 (Чехия, 1995), Международна? конференция по Фемтохимии (Швейцария, 1995), Международна» конференция SILAP 4 (Россия, 1995), Международная конференция п< Сверхбыстрым явлениям (США, 1996).
Всесоюзное совещание по Нелинейному преобразованию частоть лазерного излучения в газах (Ташкент, 1979), Всесоюзная і Всероссийская конференции по Лазерной химии (Мозжинка 1985, Туапсі 1992), Всесоюзное совещание по Инверсной заселенности на перехода: атомов и молекул (Томск, 1986), Всесоюзная конференция пі Кинетическим и газодинамическим процессам в неравновесных среда: (Москва, 1988), 13 Всесоюзная конференция по Вьісокоскоростноі Фотографии, Фотонике и Метрологии быстропротекающих процессо: (Москва, 1987), Вавиловская конференция по Нелинейной оптик (Новосибирск, 1982), Российская национальная конференции Технологические лазеры-93 (Шатура, 1993).
