Поляризационная спектроскопия низкотемпературной лазерной плазмы с высоким пространственным и спектральным разрешением на основе когерентного четырехволнового взаимодействия Сидоров-Бирюков, Дмитрий Александрович

Введение к работе

Актуальность исследования

Интерес к исследованию нелинейно-оптических свойств лазерной плазмы, с электронной плотностью существенно ниже критической для излучения оптического диапазона - N_e к 10¹⁷...10²⁰ см"³, электронной температурой Т_с « 1... 10 эВ, создаваемой источішками умеренной мощности Р » 10^б.. . 10⁷ Вт, связан с рядом причин.

Во-первых, особенный интерес применения низкотемпературной лазерной плазмы заключается в использовании ее в качестве нелинейно-оптической среды для преобразования излучения в коротковолновую область спектра. Последние исследования проводившиеся в данном направлении показали, что использование плазмы оптического пробоя газов и эрозионной лазерной плазмы позволяет достичь высокого коэффициента преобразования оптического излучения при генерации гармоник. Важно отметить, что генерация гармоник, процессы четырехволнового смешения в лазерной плазме являются когерентными и, следовательно, расходимость излучения, рождающегося в плазме в поле дифракционно ограниченных пучков близка к дифракционному пределу, т. е. пучки излучения оптических гармоник хорошо коллимироЕаны. Следовательно, можно сфокусировать это преобразованное излучение и передать его на большое расстояние, что важно для многих приложений. Оптическое преобразование частоты в лазерной плазме может быть использовано для генерации перестраиваемого излучения с гораздо более короткой длиной волны, чем можно получить в кристаллах. В то же время промежуточные атомные и ионные резонансы могут' быть использованы для повышения эффективности нелинейно-оптических процессов в плазме.

Во-вторых, лазерная плазма широко используется в качестве среды для химических реакций, при изготовлении высококачественных алмазных пленок и других практических приложений, а также в качестве источника некогерентного коротковолнового и рентгеновского излучения. Изучение механизмов испускания решгеновского излучения, кинетики химических реакций требует

тщательного изучения оптических нелинейно стей, особенностей оптического отклика ионной и электронной компонент плазмы.

В-третьих, изучение лазерной плазмы также важно для понимашія эффектов, возникающих при распространении мощною лазерного излучешш. Часто плазма образуется при распространении мощного лазерного излучения в газовой среде. Для правильного описания распространеїшя мощного лазерного света в газе и предсказания влияния плазмы на картину распределения интенсивностей и фаз в дальнем поле необходимо учитывать и измерять линейные и нелинейные характеристики среды (наведенные светом изменения показателя преломления, коэффициента поглощения и других оптических параметров).

Поляризационная спектроскопия когерентного четырехволнового смешения (ЧВС), в том числе, схема когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), широко используемая для диагностики молекулярных и атомарных сред, оказывается эффективной при изучении возбужденных газовых и газоподобных сред, в том числе, лазерной плазмы. Сигнал, полученный в результате нелинейно¹оптического взаимодействия, несет ішформацию о химическом составе среды, населенностях квантовых уровней, температуре, распределении скоростей и т.д. отдельных атомов или ионов. Основное преимущество методов когерентного ¹ШС состоит в том, что они позволяют осуществлять диагностику объектов, характеризующихся высоким уровнем некогерентных засветок, - таких как лазерная плазма. При определенных условиях данная техника позволяет независимо измерять действительную и мнимую части кубической восприимчивости среды, разрешать наложившиеся линии, увеличивать контраст дисперсионной кривой кубической восприимчивости вблизи комбинационных резонансов и т. д. Последние исследования (в частности, описываемые в настоящей диссертации) показали, что техника ЧВС является достаточно эффективным средством для двумерной диагностики газовых сред.

Хотя когерентное четырехволновое смешение довольно давно и успешно применяется для исследования структурно-организованных веществ в различных агрегатно-фазовых состояниях (молекулярные газы и жидкости, кристаллы, стекла и т. п.), проведенные в последнее время эксперименты показали, что использование этой техники для диагностики плазмы и возбужденных газовых сред требует определенных изменений в методике экспериментов и специальных исследований по теории когерентного ЧВС в возбужденных атомарных и ионных средах. В частности, интерпретация результатов экспериментов по четырехфотонному рассеянию в возбужденных газовых средах и плазме требует учета вклада состояний непрерывного спектра (отсутствующего в структурно-организованньїх средах), основные спектроскопические параметры которого до последнего времени оставались слабо исследованными.

Цель диссертационной работы

Основной целью данной диссертационной работы является качественный и колігчественньїй анализ свойств плазмы оггпгческого пробоя у поверхности металлических мишеней методами лазерной когерентной четырехфотонной спектроскопии, а также анализ возможности использования лазерной плазмы в качестве нелинейной среды для генерации когерентного перестраиваемого коротковолнового излучения. Развиваемый в диссертации подход делает возможным измерение спектральных и временных параметров, а также пространственного распределения возбужденных атомов и ионов в лазерной плазме.

Научная новизна

1. Экспериментально измерено состояние поляризации квазирезонансного сигнала ЧВС из низкотемпературной лазерной плазмы. Определены зависішости параметров эллипса поляризации квазирезонансного сигнала от времени задержки между моментом создания плазмы и моментом

зондирования. Развит метод количественного описания поляризационных характеристик сигнала четырехволнового смешения вдали от атомарных и ионных резонансов.

2. Развита методика разрешения близких атомарных и ионных линий в
спектре четырехволнового взаимодействия, основанная на технике когерентной
эллипсометрии в многокомпонентной лазерной плазме. Развитый подход
применяется для разрешения пары близких линий в спектре четырехволнового
взаимодействия из лазерной плазмы. Показано, что при определенных условиях
развитый подход позволяет восстановить спектральные зависимости каждой га
интерферирующих линий в спектре четырехволнового взаимодействия и
получить информацию о разности фаз соответствующих резонансных
составляющих нелинейной поляризации среды третьего порядка.

3. Экспериментально продемонстрирована возможность
существенного увеличения эффективности процесса четырехволнового
взаимодействия в лазерной плазме за счет использования промежуточгшгх
резонансов гиперкомбинационного типа в возбужденных атомах. Исследован
четырехфотонный процесс с резонансом на частоте перехода между
электронными состоящими атомов азота, возбужденных в плазме оптического
пробоя. В схеме "трехцветного" четырехволнового взаимодействия с участием
сфокусированных пучков излучения импульсного лазера на Nd:YAG и
перестраиваемого лазера на растворе органического красителя (родамин 6G)
зарегистрировано увеличение эффективности преобразования излучения в
коротковолновую область (длина волны 365 им) на три порядка по отношению к
эффективности нерезонансного процесса.

4. Развита экспериментальная методика двумерного отображения
относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов в
низкотемпературной плазме оптического пробоя, основанная на использовании
техники когерентного четырехволнового смешения с резонансом
гиперкомбішационного типа. Исследована возможность получения информации

о пространственном распределении населенностей возбуждеїшьк состояний атомов и ионов из получаемых по этой методике двумерных карт интенсивности сигнала четырехволнового взаимодействия с учетом фазового рассогласования и одиофогонного поглощения

5. Экспериментально определены условия, при которых четырехволновое взаимодействие в плазме происходит в синхронном режиме и не подвержено существенному влиянию однофотонного поглощения.

Практическая ценность

1. Продемонстрирована практическая возможность невозмущающей диагностики атомов и ионов в многокомпонентной ішзкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлических мишеней, характеризующейся высоким пространственным (определяемым дифракцией зондирующих пучков) и времешгым (определяемым длительностью импульсов зондирующего излучения) разрешением.

2. Продемонстрирована возможность практического использования когерентного ЧВС для двумерной диагностики пространственного распределения относительных населенностей возбужденных состояний атомов и ионов в низкотемпературной лазерной плазме. Экспериментально определены области, в которых сигнал ЧВС в условиях однофотонного поглощения является квадратичной функцией концентрации резонансных частиц, что позволяет использовать этот метод для колігчественного измерения пространственного распределения концентрации этих частиц.

3. Результаты выполненных экспериментов по исследованию
преобразования когерентного излучения в коротковолновую область в
низкотемпературной плазме оптического пробоя свидетельствуют о
возможности использования промежуточных резонансов в спектре ЧВС для
повышения эффективности данного процесса.

Защищаемые положения

1. Реализованная экспериментальная схема для диагностики
многокомпонентной плазмы оптического пробоя у поверхности металлических
мишеней на основе поляризациошюго когерентного ЧВС с резонансами
гиперкомбинационного типа позволяет исследовать временную эволюцию и
пространственное распределение отдельных атомарных и ионных компонент
лазерной плазмы.

2. Сигнал квазирезонансного когереїшюго ЧВС в низкотемпературной
лазерной плазме оптического пробоя характеризуется аномальным состоянием
поляризации. Показано, что эллиптичность поляризации сигнала ЧВС в
условиях оптического пробоя обусловлена влиянием интерференции разлитых
компонент тензора нелинейно-оптической восприимчивости среды, в том числе,
квазирезонансных связанных состояний атомов и ионов, заселяемых в условиях
оптического пробоя, и влиянием состояний непрерывного спектра.

3. Реализованная схема когерентной эллипсометрии
низкотемпературной лазерной плазмы в спектральном представлении позволяет
разрешать, используя различие в поляризационных характеристиках, близкие и
наложившиеся спектральные линии атомов и ионов в плазме оптического
пробоя, а также разделять, используя различие во временной эволюции,
интерферирующие компоненты кубической поляризации среды.

4. Реализованная экспериментальная схема на основе "трехцветного" ЧВС в низкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлической мишени позволяет увеличивать на три порядка эффективность генерации коротковолнового излучения за счет промежуточных резонансов гиперкомбинационного типа между возбужденными состояниями атомов и ионов.

5. Экспериментально реализованный метод двумерного отображения на основе поляризационной широкополосной техники ЧВС с резонансом гиперкомбинационного типа позволяет составлять двумерные карты

совместного пространствеішого распределения населенностей возбужденных состояний атомов и ионов в многокомпонентной пространственно неоднородной низкотемпературной лазерной плазме.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на конференциях и симпозиумах:

1. XII Европейском семинаре по КАРС (Филлиген, Швейцария, 1993г.).

2. XIV Европейском семинаре по КАРС (Эль Эскориал, Испания, 1995г.).

3. XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике.

(Санкт-Петербург, 1995г.).

4. Российско-Германском лазерном симпозиуме (Пушкин, 1995г.).

5. Международном симпозиуме Современные проблемы лазерной физики
(Новосибирск, 1995г.)

6. Международной конференции Лазеры'95 (Чарльстон, США, 1995г.).

7. XV Европейском семинаре по КАРС (Шеффилд, Великобритания, 1996г.).

8. Международном семинаре по лазерной физике. (Москва, 1996)

9. Российско-Германском лазерном симпозиуме (Бонн, Германия, 1996г.).

10. XV Международной конференции по Спектроскопии комбинационного рассеяния света (Питтсбург, США, 1996 г.).

11. Европейской конференции по лазерам и Электро-Оптике 1996г. (Гамбург, Германия).

Основные результаты изложены в 18 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура її об-ьем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзорной главы, трех оригинальных глав и заключения. Содержание диссертации галожено на 100 страницах

машинописного текста, иллюстрировано 39 рисунками. Список литературы включает 184 ссылки.

Похожие диссертации на Поляризационная спектроскопия низкотемпературной лазерной плазмы с высоким пространственным и спектральным разрешением на основе когерентного четырехволнового взаимодействия

Исследование состояний и спектров высокого разрешения молекул на основе новых методов в теории внутримолекулярных взаимодействийТютерев, Владимир Григорьевич

Исследование взаимодействия струи благородного газа в вакууме с лазерной плазмой и лазерным излучением методами спектроскопии МР диапазонаМедников Константин Николаевич

Взаимодействие лазерного излучения с нанокомпозитными системами на основе биополимерных и биосиликатных матриц в условиях влияния параметров окружающей средыСергеев Александр Александрович

Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом на основе механизма объединения волнТищенко Владимир Николаевич

Нелинейно-оптическое взаимодействие лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами на основе наночастиц a-Al2O3Щербаков, Александр Вячеславович

Взаимодействие низкоэнергетического лазерного излучения с гетерогенными средами на основе растворов органических красителей и металлических наноструктурПанамарёв, Николай Семёнович

Одночастичные резонансные эффекты при взаимодействии лазерного излучения с неупорядоченными дисперсными системами на основе диэлектрических микро- и наночастицИсаева, Елена Андреевна

Взаимодействие лазерного излучения с графеном и наноструктурами на его основе: оптические и фотоэлектрические эффектыОбразцов, Петр Александрович

Взаимодействие собственных и примесных дефектов в люминесцентных полупроводниковых материалах на основе халькогенидов цинкаЛепнев Леонид Сергеевич

Исследование взаимодействия молекулярного водорода с германосиликатными стеклами и световодами на их основе методом комбинационного рассеяния света Малосиев Артур Ренатович