Введение к работе
Актуальность темы
Проблема внутренней ионизации атомов и атомных ионов и внешней ионизации в атомарных кластерах находится в поле зрения теоретиков и экспериментаторов уже на протяжении нескольких десятилетий. В последнее время, новая волна интереса к данной тематике связана с возможностью получения изолированных фемтосекундных импульсов и даже аттосекундных импульсов. Их интенсивности достаточны, чтобы произвести ионизацию, а сверхкороткая длительность определяет новые возможности диагностики на атомных масштабах времени. Существенно, что за столь малые времена ионы и атомы в атомарном кластере не успевают разлететься.
В последнее время при рассмотрении лазер-кластерного взаимодействия широкое распространение получили подходы, основанные на PIC-симуляциях или tree-code моделировании. При больших возможностях, которые дают эти численные методы, не всегда они позволяют построить целостную физическую картину. Отсюда возникает необходимость в аналитических подходах к данным задачам.
При облучении больших кластеров, содержащих несколько тысяч атомов или молекул, полем сверхсильного ультракороткого лазерного импульса (с длительностью порядка сотни фемтосекунд, т.е. порядка 30 периодов поля титан-сапфирового лазера), образуется сильно возбужденная материя. Нагрев электронов проводимости в случае металлических кластеров (или первично ионизованных электронов в случае кластеров из атомов инертных газов), с одной стороны, и отсутствие возможности быстрого отвода тепла из-за фемтосекундной длительности импульса, как в случае обычной плазмы, с другой стороны, позволяют достигать значительно большего возбуждения плотной электронной подсистемы по сравнению с изолированными атомами и молекулами. При этом атомарные ионы практически не успевают нагреться. После быстрой начальной многократной ионизации в течение основной части действия лазерного импульса вещество кластерного иона представляет собой идеальную плазму, состоящую из электронов и многозарядных атомарных ионов. При этом часть электронов вылетает из кластера. Эволюция кластера в лазерном поле изучалась как экспериментально, так и теоретически посредством различных численных и аналитических методов. Несмотря на высокую (твердотельную) концентрацию электронов и атомарных ионов, кластерная плазма является идеальной ввиду большой электронной температуры.
Научная Новизна.
Впервые получены простые аналитические выражения для релятивистских высокоэнергетических электронных спектров атомов внутри атомарных кластеров при туннельной и надбарьерной ионизации под воздействием сверхсильного линейно-поляризованного фемтосекундного лазерного импульса.
Предложен новый механизм фоторекомбинации и генерации жесткого рентгеновского излучения при взаимодействии атомарных кластеров с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами.
Предложен новый механизм нагрева электронов при их упругом отражении от поверхности кластера в присутствии лазерного поля. При каждом отражении электрон может как поглощать, так и вынужденно испускать фотоны лазерного излучения, но вероятность поглощения несколько больше вероятности излучения.
Впервые получено простое аналитическое выражение для дрейфовой скорости электрона после окончания лазерного импульса в условиях, когда электрон покоился до начала импульса, и для релятивистской дрейфовой скорости электрона, образованного при туннельной или надбарьерной ионизации атомов и атомарных ионов сверхсильным лазерным полем.
Личный вклад автора
Результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии. Все расчеты, изложенные в материале диссертации, и их интерпретация осуществлялись лично автором.
Основные положения, выносимые на защиту
В ультрарелятивистском поле (eF/mcool, где F - амплитуда электрического поля внутри кластера, со - лазерная частота) показано, что при внутренней ионизации в атомарном кластере наиболее вероятен вылет электрона вдоль направления распространения лазерной волны. Вероятность вылета электронов вдоль направления магнитного поля существенно меньше вероятности вылета вдоль остальных направлений. Вероятность вылета электрона вдоль направления вектора поляризации содержит релятивистский пик, когда импульс электрона в данном направлении равен пондеромоторному импульсу FIcd. Энергетический спектр и угловое распределение в релятивистском случае не зависят от потенциала ионизации атома или атомарного иона.
При переходе из непрерывного спектра в квантовое основное состояние большого ионизованного атомарного кластера в его
кулоновском поле электроны испускают спонтанные фотоны с энергией в несколько кэВ, что значительно превышает энергию фотонов при рекомбинации на атомарные ионы внутри кластера.
В процессе каждого отражения от внутренней поверхности кластера электрон приобретает удвоенную колебательную (пондеромоторную) энергию от лазерного поля, аналогично тому, что имеет место при столкновении с атомарным ионом в присутствии лазерного поля, т.е., в процессе вынужденного обратного тормозного поглощения.
Показано, что теорема Лоусона-Вудворда неприменима в случае сверхсильных полей и ультракоротких лазерных импульсов. Это существенно для атомарных кластеров в процессе их расширения, когда достигается резонанс Ми и лазерное поле внутри кластера значительно превышает внешнее лазерное поле.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных и общероссийских конференциях:
XXXIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 13-17 февраля 2006 г., г. Звенигород
17th International Symposium on Strong-Field and Attosecond Physics, Trondheim, Norway, June 30-July 04, 2008
12th International Workshop on the Physics of Non-Ideal Plasmas, Darmstadt, Germany, 4-8 September, 2006.
35-я студенческая конференция МИФИ, 25-27 января 2005 г.
16m International Laser Physics Workshop, Leon, Mexico, 20-24 August, 2007
6th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation, April 9-10, 2008, A.V.Prokhorov General Physics Institute, Moscow.
5th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation, April 11-12, 2007, A.V.Prokhorov General Physics Institute, Moscow.
4th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation, April 19-21, 2006, A.V.Prokhorov General Physics Institute, Moscow.
9. IX Школа Молодых Учёных ИБРАЭ РАН, «Безопасность и риски в энергетике», 24-25 апреля 2008 года, Москва.
10.VII Школа Молодых Учёных ИБРАЭ РАН,«Безопасность и риски в энергетике», 20-21 апреля 2006 года, Москва.
11.11th International Conference on Multiphoton Processes, 19-23 September 2008, Heidelberg, Germany.
Публикации
По материалам работы опубликовано 10 статей в рецензируемых отечественных и международных журналах и одна публикация в трудах научных конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 80 страниц, в том числе 6 рисунков. Список литературы содержит 14 наименований.
