Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В последние годы достигнут значительный прогресс в технике генерации предельно коротких лазерных импульсов, содержащих малое число периодов оптического поля и имеющих высокую пиковую мощность (до 1 ТВт и выше). Этот прогресс открыл новые возможности для создания источников когерентного электромагнитного излучения в трудно доступных и плохо освоенных областях частотного спектра, в частности, в терагерцовом (с длинами волн ~ 0.1 — 1 мм), вакуумном ультрафиолетовом (~ 10 — 100 нм) и мягком рентгеновском (~ 0.1 — 10 нм) диапазонах. Освоение этих спектральных диапазонов является в настоящее время весьма насущной проблемой для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии, биологии и медицины. Преобразование предельно коротких лазерных импульсов в излучение указанных диапазонов частот происходит благодаря быстрой ионизации атомов и молекул, которую производят эти импульсы при их фокусировке в газ, и одновременного ускорения освободившихся электронов непосредственно полем лазерного импульса. Благодаря этому в образовавшейся плазме когерентно возбуждаются большие поляризационные токи, которые создают электромагнитное излучение в окружающем пространстве. Спектр этих токов имеет как низкочастотную (по сравнению с оптической частотой) часть, отвечающую в широком диапазоне давлений газа терагерцовому излучению [1], так и высокочастотную часть, отвечающую ультрафиолетовому и мягкому рентгеновскому излучению [2]. Использование предельно коротких лазерных импульсов позволяет обеспечить высокую эффективность преобразования электромагнитной энергии в энергию поляризационных токов в плазме и вызвать генерацию порождаемого этими токами мощных сверхкоротких (с длительностью порядка одного периода поля) электромагнитных импульсов как терагерцового излучения (пикосекундной длительности), так и вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения (аттосекундной длительности).
Механизм эффективного возбуждения низкочастотных токов при пробое газа предельно коротким импульсом выглядит следующим образом. В процессе ионизации атомов и молекул интенсивным лазерным полем вновь рождённые свободные электроны приобретают, помимо осцилляторной скорости, также и постоянную дрейфовую скорость, величина которой определяется фазой электрического поля в момент рождения электрона. В результате после прохождения лазер-
ного импульса в образовавшейся плазме возникает квазипостоянная остаточная плотность тока, величина которой может достигать высоких значений при достаточно малой длительности лазерного импульса [3—5]. Эта остаточная плотность тока является начальным толчком к поляризации плазмы и возбуждению в ней колебаний, частоты которых в условиях достаточно плотной плазмы могут лежать в терагерцо-вом диапазоне [1,3,6]. В настоящее время рассматриваются возможности использования этого явления как для высокоэффективной генерации мощного терагерцового излучения, так и для осуществления сравнительно простого способа контроля фазы лазерного импульса (определяющей расстройку в положениях максимумов огибающей импульса и периодического поля на несущей частоте импульса) с помощью детектирования излучаемых плазмой терагерцовых волн [3—5,7—10].
Возбуждение высокочастотных токов (с частотой много больше оптической) возникает вследствие сверхбыстрой ионизации атомов, ускорения электронов и возвратных соударений электронов с родительскими ионами [2,11—14]. Особое внимание это явление привлекает в связи с возможностью генерации аттосекундных импульсов [11, 15], имеющих большую перспективу использования в различных приложениях, в том числе для спектроскопии со срехвысоким временным разрешением [16]. За счёт резкой зависимости вероятности ионизации от амплитуды электрического поля, использование предельно коротких лазерных импульсов позволяет получить одиночный аттосекундный импульс [17]. При этом, в отличие от использования многоцикловых лазерных импульсов, структура высокочастотной части спектра поляризационного тока существенно зависит от фазы лазерного импульса. Это позволяет изменять спектральный состав генерируемого излучения путём изменения фазы и тем самым влиять на характеристики аттосекундного импульса [18—20]. Кроме этого, наличие зависимости высокочастотного спектра поляризационного тока от фазы лазерного импульса открывает возможность для её контроля и измерения, что было недавно продемонстрировано экспериментально [21].
Цель диссертационной работы
Целью работы являются аналитические и численные исследования процессов возбуждения поляризационных токов при ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом. В ходе исследований должны быть построены теоретические модели, позволяющие объяснить результаты имеющихся экспериментальных наблюдений, выявить оптимальные условия для возбуждения поляризационных токов и предска-
зать новые эффекты, которые могут иметь место при ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом.
Научная новизна
-
Впервые на основе квантовомеханических и полуклассических подходов аналитически и численно рассчитана остаточная плотность тока в плазме, создаваемой предельно коротким лазерным импульсом.
-
Найдена область применимости полуклассического подхода к расчёту остаточной плотности тока, возбуждаемой при ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом.
-
Впервые на основе прямого численного решения трёхмерного нестационарного уравнения Шредингера исследована динамика формирования высокоэнергетического «плато» в спектрах высокочастотных поляризационных токов при изменении фазы и длительности предельно короткого лазерного импульса, и найдены зависимости спектральной интенсивности в области края «плато» от длины волны предельно короткого лазерного импульса.
-
Найдены новые выражения для одномерных и двумерных модельных потенциалов, описывающих взаимодействие электрона с родительским ионом в нестационарном уравнении Шредингера, позволяющие рассчитывать с высокой точностью остаточную плотность тока и высокочастотные поляризационные токи, возбуждаемые при ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом.
Научная и практическая значимость
Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы для разработки эффективных методов генерации электромагнитного излучения в терагерцовом, вакуумном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах длин волн и методов контроля фазовой структуры в предельно коротких лазерных импульсах.
Найденные выражения для одномерных и двумерных модельных потенциалов, описывающих взаимодействие электрона с родительским ионом, могут быть использованы при решении задач, требующих многократного решения нестационарного уравнения Шредингера, например, при совместном решении уравнения Шредингера и уравнений Максвелла.
Основные положения, выносимые на защиту
-
При ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом возможна эффективная генерация квазипостоянной остаточной плотности тока свободных электронов, величина которой зависит от фазы, длительности и интенсивности лазерного импульса. При фиксированном значении длительности существует оптимальная пиковая интенсивность лазерного импульса, при которой эффективность генерации остаточного тока максимальна. Величина остаточной плотности тока при оптимальной интенсивности экспоненциально растёт с уменьшением длительности лазерного импульса и, при использовании сверхкоротких лазерных импульсов, содержащих порядка одного периода оптического поля, может достигать значений, позволяющих осуществлять преобразование оптического излучения в более низкочастотное с эффективностью порядка 10 %.
-
Результаты полуклассических и квантовомеханических расчётов остаточной плотности тока дают хорошее количественное согласие друг с другом при условии, что максимальная пондеромотор-ная энергия электрона в лазерном импульсе много больше потенциала ионизации атома. Если это условие не выполнено, то полуклассический подход выходит за рамки своей применимости и приводит к результатам, количественно и качественно отличающимся от результатов квантовомеханических расчётов.
-
Высокочастотный спектр поляризационного тока, возбуждаемого при ионизации газа предельно коротким лазерным импульсом, может содержать регулярную платообразную структуру с мелкомасштабными осцилляциями, период которых определяется длительностью лазерного импульса, а положения максимумов линейно зависят от его фазы. Спектральная интенсивность в области края высокочастотного «плато» растёт по степенному закону с увеличением центральной частоты лазерного импульса при фиксированном числе периодов оптического поля на его длительности.
-
Результаты численных расчётов остаточной плотности тока и высокочастотного спектра поляризационного тока с использованием разработанных одномерных и двухмерных квантовомеханических моделей количественно согласуются с результатами трёхмерных расчётов в широком диапазоне параметров предельно коротких лазерных импульсов, характерных для реализации рассматриваемых явлений.
Апробация
Основные результаты диссертации получены в ИПФ РАН и докладывались на научных семинарах института, а также на 27 научных конференциях, в том числе лично автором - на 16: 35-й и 36-й Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2008, 2009), 12-й научной конференции по радиофизике (ННГУ, Нижний Новгород, 2008), международном симпозиуме «Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (Нижний Новгород, 2008), международном симпозиуме «Russian-French-German Laser Symposium — 2009» (Нижний Новгород, 2009), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics —2009» (Нижний Новгород, 2009), 24-й международной конференции «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2009), четвёртой международной конференции «Frontiers of Nonlinear Physics» (Нижний Новгород, 2010), 15-й научной школе «Нелинейные волны - 2010» (Нижний Новгород, 2010), 15-й и 16-й Нижегородских сессиях молодых учёных (Нижний Новгород, 2010, 2011), 19-м и 20-м международных симпозиумах «International Laser Physics Workshop» (Фос-ду-Игуасу, Бразилия, 2010 и Сараево, Босния и Герцеговина, 2011), международной конференции «International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/International Conference on Lasers, Applications, and Technologies» (Казань, 2010), 31-й европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Будапешт, Венгрия, 2010), международной конференции «Оптика-2011» (Санкт-Петербург, 2011), 15-й международной конференции «Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2012).
Материалы диссертации опубликованы в 40 печатных работах, среди которых 7 статей в рецензируемых журналах [А1—А7], 10 статей в сборниках трудов конференций и 23 тезиса докладов.
Достоверность полученных результатов
Проведённое исследование опирается на известные и апробированные методы, применяемые в физике плазмы и лазерной физике. Результаты теоретических исследований согласуются с известными экспериментальными данными. Выполненные численные расчёты хорошо согласуются с аналитическими выводами.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём составляет 124 страницы, включая 32 рисун-
ка и 1 таблицу. Количество цитированных источников — 183, включая публикации диссертанта.
