Введение к работе
Актуальность теми.
Среди разнообразных газовых сред, используемых при решении большого круга как фундаментальных, так и практических задач лагерной фізики важное место занимают пари металлов. Это связано, р перьую очерадь, с их многочисленными применениями для получения аффективной генерации видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазона в лазерах на парах металлов. С другой стороны, те же пары метало» широко используются в исследованиях взаимодействия коротковолнового лазерного излучения о веществом и во многих лазерных технологических процессах. Так, например, именно в стационарных парах металлов изучаются, как правило, многочисленные резонансные аффекты, они являются рабочей средой в ряде методов резонансного лазерного раздэлеыя изотопов в атомарной фазе, активно примени ются при решении задач нелинейной оптики - в преобразователях частоты лазерного излучения на вынужденном комбинационном рассей ний. в создании обращающих волновой Фронт зеркал, умножите/я* частоты лазерного излучения и т.д."Импульсная плазма паров металлов, создаваемая на поверхности мишени лазерным пучком, находит свое применение при напылении тонких пленок, в лазерной спектрометрии и масс-спектрометрии при анализе состав различных образцов, в лазерных ионшх источниках, плазменных катодах. Белое ю-го, пары некоторых металлов, и основном щелочных и щелочноземельных, по ряду причин (разреженности спектра, наличию интенсивных резонансных линий, возможности моделирования двухуровневых систем и т.д.) являются чрезвычайно удобным объектом при изучении фундаментальних ochjb процессов взаимодействия оптического излучения О веществом и демонстрации вооьма тонких аффектов. Все ато обуславливает значительный интерес к исследованию кинетических явлений в пэрах металлов - процессов возбуждения и ионизации,, переноса излучения и ряда других.
Во всех шшегоречиолеяяыд задачах одной из основных проблем являбтоя повышение плотности среды К, поскольку именно на 8ТОМ пути можно добиться значительного повішення удельных энергетических параметров генерации в лагерях на парах металлов или существенного увеличения эффективности приборов квантовой елвптронг.кн Я лазерных технологических установок. Следует, однако, отметить, что к началу настоящей работы генерация в парах металлов плотной-
тью 10 * 10 см еще не была п. лучена и сама возможность ее возбуждения в таких условиях била под вопросом.
При повышенной плотности паров существенно меняется и характер воздействия на среду лазерного излучения видимого и УФ диапазона, которое даже при умеренной интенсивности (IG5 + I08 Вт/см2) оказывается способным, вызвать значительную ионизацию среда, особенно в резонансных условиях (т.е., в том случав, когда частота лазерной волны близка к частоте какого-либо перехода в атоме металла) или, за счет большой анергии кванта - велвдетвии фотоиони-звционных процессов. Эти явления во многом изучались в стационарных парах натрия, стронция, Оария и др., однако их влияние на процессы образования имлульсно создаваемой плазмы, возникающей в парах облучаемой лазером мишени ранее экспериментально не иссле-доьалось, как, впрочем, практически не исследовалась и вообще динамика образования грозионной плазмы металлов под действием УФ лазерного излучения. Заметим также, что значителвная энергия лазерных фотонов треОуот существенно квантового подхода к описанию низкотемпературной лазерной плззга паров металла. .
Более того, нелинейное воздействие интенсивного пучка на резонансную среду паров металлов, изменяя ее такие важные характеристики, как величину и спектральную зависимость показателей преломления и поглощения, при больших Н приводит к существенному обратному воздействию среда на характеристики распространяющегося в ней лазерного излучения, порождая пространственную неустойчивость лазерной волны, проявляющуюся в возникновении хорошо известных аффектов самофокусировки и самодефокусировки, генерации конического излучения и т.д. При этом, поскольку в некоторых областях спектре при достаточно большой интенсивности иэлучония поглощение монет деже смениться усилением, в присутствии сильного поля кардинально меняется вся картина реабсорбции шумового излучения, стансзятся важными многофотонные процессы и, в часіпоста, процессы четырехволнового взаимодействия а, помимо пространственной, возникает тесно связанная о ней спектральная неустойчивость лагерного пучка, в результате которой в его спектре появляются смещенные по частоте компоненты рассеяния значительной интенсивности. Хотя эти явления в оптически плотных парах металлов неоднократно наблвдалиоь экспериментально (однако, практически только в области высокочастотных ототроек частоты лазерного излучения от резонанса) полшо понимание их природы отсутствует, что отрвжает-
ся, в частности, в том, что несмотря на существование нескольких альтернативных теорий возбуждения неустойчивости, ни одна их них. не в сос?оянии объяснить всю совокупность наблхдаемнх данных. Прогресс з этой области может быть достигнут только при проведении многоплановых детальных экспериментов, допускающих прямое сравнение с теорией.
Рассмотренные эффекты неустойчивости существенным образом могут влиять на однородность и монохроматичность лазерных пучков, распространяющихся в р~зочанснсй среде, приводя к потере селективности взаимодействия в лазерных технологиях, ухудшению характеристик лазерныг. усилителей и т.д. Тем не менее, эта неустойчивость' может оказаться и полезной при реализации широко обсуждаемой в настоянеє время возможности создания одного из вариантов "лазеров без инверсии" - лазера нэ состояниях "одетого" атома.
Таким образом, разработка и успешное развитие многочисленных приборов и устройств кв^ьтсвой электроники требует детального изучения процессий возбуждения и образования плазмы, в плотных стационарных и импульсно создаваемых парах металлов, процессов возбуадения неустойчивости и нелинейного рассеяния при взаимодействии с ки\»и интенсивного лазерного поля, что и определяет актуальность исследований в данной области. Следует отметить, что если с прикладной точки зрения ясное понимание вышеописанных кинетических явлений необходимо для решения практических задач, то с точки зрения фундаментальной физики в таких исследованиях могут быть выявлены нозые, неизвестные ранее закономерности процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
. Цели данной работы можно сформулировать следующим образом:
-
Исследование возможности возбуждения лазерной генерации видалого и УФ диапазона в плотных парах металлов и разработка методов их получения. Исследование физических основ возможности существенного увеличения энергетических характеристик лазеров на порах металлов при высоких плотностях" активной среда, систематическое исследование характеристик разряда и их связи с параметрами генерации, исследование различных схем возбувдения активной среды, в том числе и с помощью пучка электронов.
-
Всестороннее изучение характеристик и динамики расширения . импульсной эрозионной плазма паров металлов, возникающей на поверхности под действием лазерного излучения УФ и валимого дяана7. зоно, получение данных о порогах плвзмоосразования в парах рвз-
личных металлов и о влиянии на их величину процессов резонансной ионизации и фотоионизации.
3. Детальное исследование процессов, сопровождающих распространение интенсивной лазерной волны в резонансной среде паров металлов - спектрально-угловой неустойчивости лезеркого пучка и резонансной флюоресценции в сильном лазерном полэ в широком диапе-, зоне экспериментальных параметров (плотности паров, интенсивности лазерного излучения, лазерных отстроек от резонансных линий).
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:
-
Впервые получена генерация в плотных парах металлов - меда, свинца, золота при при концентрации активной среды более, чем Ю1а см*3. Показано, что в парах такой плотности удельная эноргия генерации на порядок выше, чем в лазерах о термическим созданием пароа, величина N в которых не превышает I01* см"*3. Впервые исследованы характеристики разряда в плотных парах меди, экспериментально установлено существование оптимальних с точки зрения эффективности генерации значений плотности электронов в плазме разряда и параметра E/N, где Е - напряженность электрического поля в положиі-ельном рголбе разряда. їпервно получена генерация в парах меда при их возбуждении' электронным пучком и контролируемым им импульсным разрядом.
-
Для изучения процессов взаимодействия лазерного излучения о вэщестЕом созданы и исследованы различные типы лазеров на молекулах ХеР и XeCl, в том числе впервые реализовано возбуждение эк-симерного лазера продольным электрическим разрядом.
-
В работа впервые систематически измерены параметры плазмы эрозионного факела, возникающего на поверхности алюминия под действием ультрафиолетового излучения XeC"J лазера, впервые определены основные закономерности разлета эрозионной плазмы, создаваемой УФ излучением в вакуум и буферный газ.
-
Предложена и обоснована методика измерения порогов образования плазмы на поверхности металлов под действием лазерного излучения. Впервые измерены величины пороговой интенсивности пробоя в эрозионных парах на поверхности ряда металлов в вакууме для
v излучения Хе01 лвзэра, исследовано прямым образом влияние на величину порога пробоя на поверхности алюминия процессов фотоиони-вации возбужденных атомов.
Б. Впервые экспериментально обнаружено резонансное снижение порога образования лазорной плазмы на поверхности твердого тела
при, совпадении длины волны излучения о длиной волны перехода в атоме вещества мишени, измерены величины порогов и плотности эро- * зионной плазмы в зависимости от отстройки чэс.огы лазерного излучения от резонанса. Показано, что именно резонансные ііроцесои определяют величину порога пробоя на поверхности алкшния под действием излучения XeCl лазера. Также впервые з з-даисимости от отстройки исследованы характеристики резонансной плазма е стационарно создаваемых парах натрия.
-
В работе впервые обнаружено возникновение споктрально-уг-ловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в оптичоскл плотной резоненсной среде при низкочастотных отстройках частоты лазерного поля от частоты атомного перехода. Изучены основные закономерности образования конического излучения в укезаішой облооти отстроек и многокомпонентные спектры рассеяния, показано, что картина резонансного рассеяния при "красних" лагерных отстройках от линий дублета натрия во многом аналогична случаю "синих" отстроек. В експериментах также обнаружьна новае, неизвестные ранее компоненты рассеяішя и исследованы их основные характеристики.
-
В работе показано, что закономерности развития спектрально-угловой неустойчивости в пкрах натрия могут быть качествонно , объяснены возбувдением четырехволновых процессов в плотной среде трехуровневых атомов и не требует приплачений для интерпретации оштннх данных альтернативных механизмов.
3. Впервые экспериментально зарегистрированы многокомпонентные спектры флюоресценции плотных паров натрш; и дана их интерпретация на основе расщепления Рабй трехуровневой ойотемн, помещенной в сильное ззеоное поле. Изучены осноьшіє закономерности возбуждения 'флюоресценции и исследована модификация ее мультя-ллвтных спектров при изменении параметров ъзаммодейстаия.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментальное доказательство возможности возбуаденкя
генерации самостоятельным электрическим разрядом и электронным
Т" ТА -Л
пучком в парах металлов высокой плотнеете (10 +10 см і и значительного увеличения удолькьк лезерчых энергетических характе-рисиш в такой среде, результата! экспериментального исследования и численного моделирования характеристик раоряда в плотных парах меди, результаты изучения влияния параметров разрядэ на характеристики лазерной генерации в такой оредэ.
2. Результата експериментального неслэдепануя различных сио-
тем возбуждения и характеристик генерации эксимеркнх УФ лазеров.
-
Результата изкэречия порогов плазжгоОразования на поверхности ряда металлов под действием ультрафиолетового (Аї, ТІ, w, Си, Bl, Cd) и видимого (М, Na) лазерного излучения в вакууме, обоснование католики их определения.
-
Результаты детального исследования параметров (температуры, плотности, скорости направленного движения) и .динамики расширения эрозионного плазменного Факела, создаваемого УФ излучением нашсекундной длительности и кнтенсивностыо Ю8 + 10э Вт/см2 на поверхности металла.
-
Экспериментальное обнаружение резонансного снижения порога лазерного пробоя на поверхности твердого тела под действием излучения УФ и видимого диапазона, результаты измерений резонансных зависимостей пороговых ингвнеивносгей шшзмообразовашя и параметров плазмы от ве^гчины отстройки от резонансі, зарегистрированное снижение пороговых интенсийкостей е 2 * 2.5 раза при ширине резонансных кривых 3 і 8 км. Результаты экспериментального исследования резонансного пробоя в стационарных парах натрия.
-
Экспериментальное доказательство возникновения развитой спектрально-угловой неустойчивости лазерного пучка интенсизностьо I <- 2 + 25 МВт/см8 в области длинног 'Лйорых отстроек длины волны лазерного излучения от DI линии натрия при его распространении в парах плотностью N - І013 + Ю16 см-3, проявляющуюся в генерации конического излучения, появлении епбкл-структуры в сечении рассеянного пучка и в возбуждении нескольких, ранее на наблюдавшихся смененных по частоте относительно лазерной компонент рассеяния. Результаты исследования характеристик неустойчивости в зависимости параметров взаимодействия (интенсивности, величины отстройки, плотности паров). Результаты экспериментоь, показывающие, что картина рассеяния в области низкочастотных отстроек частоты лазерного излучения от ВІ лиши натрия в целом аналогична наблюдае -іх>4 при высокочастотных отстройках от КЗ линии.
-
Результата экспериментального каолвд&ния спектров резонансной флюоресценции паров натрия плотностью Ю1"-* 3-Ю15 см"3 е поле лазерной волны'интенсивностью-I <* 10 + 25 МВт/см2, демонстрирующих, что такие спектры имеют форму мультиплета, содержащего, в зависимое?;.: параметров взаимодействия, вплоть до 7 компонент, что связан^ с расщеплением Ребк в поле лазерной волны как основного 3S, так и двух возбужденных ЗР уровней нэтрия на несть кза-эиэнергетичэских уровней. Результаты расчетного моделирования,
показывающего, что регистрируемый экспериментально вид спектров1 определяется пространственной неоднородностью энергетического распределения по" сечению лазерного пучка и .поглощением квантов флюоресценции в невозмущенных парах натрия.
Научная и практическая ценность работы.
Увеличение удельных энергетических характеристик генерации при повышении плотности активной среда может привести к созданию лазерных устройств видимого и УФ диапазона, значительно превосходящих по энергии лазерного импульса и средней мощности существующие в настоящее время. Разработанный метод создания паров практически любых металлов, в том числе и тугоплавких, открывает воэ-мокности для поиска нових активных сред. Результаты совместного исследования характеристик разряда и генерации позволяют целенап-. равленно оптимизировать эффективность подобных источников лазер-. ного излучения.
Экспериментальные результаты измерения порогов пробоя, изучения параметров и динамики разлога эрозионной плазмы, создаваемой коротковолновым лазерным излучением на поверхности металлов, дают исходный материал для построения теоретических моделей взаимодействия излучения УФ диапазона о веществом и позволяют прогнозировать результаты взаимодействия в условиях практического применения. О этой точки зрения особенно важным представляется вф-Фэкт резонансного снижения порога плэзмообразования в эрозионных ларах, обнаруженный в данной работе и который моаэт. быть использован при создании эффективных ионных источников, плазменных ка-о тодов и т.д. Предлояекный в работе способ измерения порогов плаз--мообразования способствует выработке единого подхода" их определению, выявлению закономерностей, присущих этому явлению и позволяет сравнивать результаты, полученные разными авторами.
Проведенное в работе изучение взаимодействия излучения о ре
зонансной средой в широком диапазоне экспериментальных перимет
ров, сравнение результатов вксперимэнта о теорэтическЕкя рпсчота-
ш дает цельную картину процессов, сопроводдакщп распространение
лазерного пучка б резонансном атомарном паре з имеет существенное
значение для создания лазерных усилителей, для реализации практи
ческих схем лазерного разделения изотопов, дистанционной диагнос
тики, лазерной фотохимии и др., чувствительных к искажению фронта
лазерного пучка и его спектра. , "'-/
Представленный в данной работе подход к исследований стакт-.
9 .:
ров резонансной флюоресценции позволяет изучать не только принципиальные вопроси нелинейной оптики и лазерной спектроскопии, но и дает методику для- практических измерений процессов релаксащш и переноса возбувденик ь газових средах.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на VIII, IX, X, ХІТ, XTV МеждународЕшх конференциях по когерентной и нелинейной оптико (Тбилиси, 1Э76; Ленинград, 1978; Киев, 1980; Москва, 1985; Ленинград, 1991), Международной конференции по передовым и лазерным технологиям АЬТ'92 (Москва, 1992), Международных копЛервнциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1992) и "Laser 0ptlca*93" (Санкт-Потербург, 1993), Международной конференции по квантовой электронике EQEC94 (Амстердам, Голла^ідия, 1994), Международной конференции по лазерам, электрооптике и кбштсвой электронике CLE0/IQEC94 (Лнахейм, США, 1994), П и IV Бсосошных кокференцих "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" (Москва, 1934, Фрунзе, 1?90), VII и VIII Всэсоюзннх конференциях по взаимодействию оптического, излучения с веществам, (Ленинград, 1988; Ленинград, 1990), X щколэ-семинаре по селективному зоздействию лазерного излучения на вещество (Бакуриани, 1986), II Всесоюзном семинаре по лазерам на парах химических элементов (Ростов-на-Дону, 1977), II, IV и V Всесоюзных семинарах по физическим процессам в газовых ОКГ (Ужгород, 1978; Ыукйчево 1932; Муквчево, 1984), Всесоюзной школе "Лазеры и атмосфера" (Обнинск, 1990), на семинарах ФИРАН, НИЦТЛ,
TFHUirH, ідаги.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы, в 28 гэчатных работах, в т.ч., р 26 статьях и 2 препринтах.
Структура и объем диссертации.
