ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Экспериментальна установка. Фемтосекундный лазерный комплекс гераваттного уровня
1.1. Блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса
1.2. Расчет системы стретчер - компрессор
1.3. Качество фемтосекундных импульсов, полученных с тераваттной фемтосекундной лазерной системы Глава 2. Микро- и наномодификация твердых тел при помощи фемтосекундных лазерных импульсов
2.1. Формирование микроструктур в А$283 последовательностью фемтосекундных лазерных импульсов
2.2. Формирование наноструктур под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами
Глава 3. Взаимодействие фемтосекундного излучения с твердым телом при аксиконной фокусировке в режиме плазмообразования
3.1. Экспериментальное исследование воздействия субтераваттного фемтосекундного лазерного излучения на прозрачные диэлектрики при аксиконной фокусировке
3.2. Исследование динамики ударных волн в прозрачных диэлектриках при аксиконной фокусировке
Глава 4. Нелинейные эффекты, связанные с распространением интенсивного фемтосекундного излучения в атмосфере
4.1. Исследование электрического разряда постоянного тока, инициированного фемтосекундной лазерной искрой
4.1.1. Экспериментальная установка и методика измерений
4.1.2. Результаты экспериментов
4
18
19
24
36
40
43
51
68
70
85
94
97
97
98
2
4.1.3. Численное моделирование электрического пробоя воздушного промежутка после лазерного воздействия 103
4.2. Нелинейное поглощение интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере 113
Глава 5. Взаимодействие интенсивного фемтосекундного излучения с плазмой, создаваемой в газонаполненных диэлектрических капиллярах. Плазменные волны большой амплитуды 121
5.1. Ионизационная трансформация спектра и компрессия фемтосекундных импульсов 127
5.2. Рамановское усиление коротких фемтосекундных лазерных импульсов в плазме 135
5.2.1. Основные уравнения 135
5.2.2. Одномерная задача 137
5.2.3. Экспериментальные результаты 139
5.2.4. Заключение 146
5.3. Генерация плазменных волн большой амплитуды интенсивными фемтосекундными импульсами 148
Заключение 160
Литература 164
3
Введение
Актуальность темы
В начале 90-х годов прошлого века были созданы источники лазерного излучения, генерирующие импульсы сверхмалой длительности ^ 100 фс [1-4], заложены и реализованы принципы их дальнейшего усиления [5, 6]. Это стало отправной точкой, с которой начался процесс бурного развития фемтосекундных лазерных систем, приведший к настоящему времени к созданию широкого спектра уникальных лазерных источников. Минимальная длительность лазерного импульса фактически достигла возможного предела в 1.5-2 периода оптического поля (т» 4-5 фс) [7, 8], а максимальная мощность доросла до Р ~ 1 ПВт [9-11]. Свсрхмалая длительность лазерных импульсов и высокая интенсивность лазерного излучения при относительно малой энергетике в импульсе определили специфику фемтосекундных лазерных систем, как новых инструментов исследования.
Как показало дальнейшее развитие, эти новые инструменты оказались весьма плодотворными. Круг проблем, поддающихся изучению с помощью фемтосекундных лазеров, огромен. Предельно короткая длительность лазерных импульсов позволила применять их (в режиме ритр-ргоЬе) для исследования быстропротекающих процессов. Динамика неравновесных носителей в полупроводниках [12, 13] или сверхбыстрое плавление твердого тела [14, 15] - характерные примеры данного направления.
Другая отличительная черта фемтосекундных лазерных импульсов -высокая интенсивность лазерного излучения - привела фактически к созданию нового направления исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом: физике сверхсильных оптических полей.
Действительно, уже при интенсивности I и 3-1016 Вт/см2 напряженность светового поля превышает напряженность внутриатомного поля в атоме водорода. Взаимодействие сверхмощного лазерного излучения с веществом
4
успешно используется сегодня для изучения новых классов физических явлений, таких как генерация плазменных волн большой амплитуды и ускорение частиц [16-18], создание сверхдальних лидаров и нелинейная спектроскопия атмосферы, генерация высоких гармоник основной частоты, простирающихся вплоть до диапазона мягкого рентгена [19]. Б режиме сверхсильного оптического поля оказывается возможным проводить исследования с инициированием целого спектра ядерных процессов: возбуждение ядерных уровней [20], управляемый термоядерный синтез [21, 22] и др.
Микро- и наноструктурирование материалов фемтосекундными лазерными импульсами не требует столь большой интенсивности, но в течение всего времени использования фемтосекундного лазерного излучения привлекало значительное внимание исследователей [см. обзоры 23, 24]. Связано это с тем, что применение ультракоротких импульсов сильно уменьшает влияние процессов теплопроводности, что в свою очередь минимизирует нежелательное воздействие на материат за пределами лазерного пучка и позволяет делать обработку более аккуратной [25-27]. Кроме этого высокая интенсивность лазерного излучения позволяет обеспечить нелинейный режим воздействия на материал. При нелинейном характере воздействия появляется возможность уменьшения области, в которой происходит структурирование. Становится возможным создание микроструктур в материалах с большой шириной запрещенной зоны [28].
Таким образом, уже очерчивание того широкого круга задач, решаемых с использованием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в исследованиях его взаимодействия с веществом, находящимся в различных фазовых состояниях, наглядно демонстрирует актуальность темы диссертационной работы.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является исследование широкого круга вопросов, связанных с взаимодействием интенсивного фемтосекундного
5
лазерного излучения с веществом, находящимся в различных фазовых состояниях: твердом, газовом, плазменном, для решения задач
фундаментальной и прикладной физики.
Ключевые задачи, решаемые в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом:
- исследование механизмов и режимов воздействия фемтосекундного лазерного излучения на материалы с целью получения микро- и наноструктур. Речь идет как о микроструктурировании в объеме для создания элементов оптоэлектроники, так и создании наноструктур под иглой атомно-силового микроскопа на поверхности (элементы оптической и магнитной памяти),
- изучение процессов, связанных с распространением интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере,
- исследование возможностей использования плазмы в качестве среды для усиления фемтосекундного лазерного излучения и формирования высокоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов.
Экспериментальное исследование рамановского усиления коротких лазерных импульсов в плазме в процессе трехволнового взаимодействия,
- высокоградиентное ускорение электронов в поле плазменной волны, возбуждаемой интенсивным лазерным импульсом.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Для микроструктурирования прозрачных образцов может быть использовано излучение задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе IV< 1нДж.
2. При облучении острия зонда атомно-силового микроскопа излучением фемтосекундного лазера на поверхности металлических пленок образуются наноструктуры (углубления, кратеры) диаметром 20-100 нм и глубиной в несколько нанометров.
3. Применение частотно модулированных фемтосекундных лазерных импульсов позволяет разработать оригинальную одноимпульсную методику
6
исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, с помощью которой, в частности, может быть исследована динамика начальной стадии эволюции сильных (до 10 Г’па) ударных волн.
4. Аксиконная фокусировка интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики позволяет формировать канаты в образце из оптически модифицированного вещества с рекордно высоким аспектным отношением (поперечный размер каната порядка микрона и длина до одного сантиметра).
5. При распространении в атмосфере интенсивного фемтосекундного лазерного излучения происходит нелинейное поглощение лазерного излучения связанное с неадиабатическим возбуждением вращательных уровней молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением.
6. Ионизационная трансформация спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре позволяет осуществить сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа.
7. Рамановское усиление фемтосекундных лазерных импульсов при встречном распространении усиливаемого фемтосекундного импульса и частотно-модулированного широкополосного импульса накачки с гой же несущей частотой в диэлектрическом капилляре, заполненным газовой плазмой, за счет большой длины усиления позволяет добиться рекордно высоких значений коэффициентов усиления по спектральной ин тенсивности усиливаемого сигнала (~ 103) и по энергии выходного излучения (~ 102).
Научная новизна диссертационной работы
1. Экспериментально продемонстрирована возможность
микроструктурирования халькогенидных стекол излучением задающего
7
генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе порядка 1 нДж.
2. Проведено детальное исследование формирования наноструктур на поверхности металлических пленок под острием зонда атомно-силового микроскопа при воздействии на зонд излучения фемтосекундного лазера. Выполненный цикл экспериментальных исследований позволил выявить основной механизм образования структур на поверхности: механическое воздействие сильно нагретого лазерным излучением зонда при его термическом расширении.
3. Продемонстрирована возможность формирования каналов модифицированного вещества образца с высоким аспектным отношением (поперечный размер порядка микрона и длина до одного сантиметра) при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики.
4. Разработана и реализована экспериментально оригинальная одноимпульсная методика исследования пространственно-временной динамики быстро протекающих процессов, основанная на применении частотно модулированных лазерных импульсов. С ее помощью была исследована динамика начальной стадии эволюции сильных (до 10 Гпа) ударных волн, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивным фемтосекундным излучением.
5. Детально исследовано влияние филаментации фемтосекундного лазерного пучка в атмосфере на высоковольтный пробой разрядного промежутка. Обширный экспериментальный материал послужил основой теоретического описания разрядных явлений, выполненного с учетом детального анализа основных процессов, играющих определяющую роль в формировании разряда.
6. Обнаружен и исследован новый механизм сильного нелинейного поглощения интенсивного фемтосекундного лазерного излучения при распространении в атмосфере. Построена модель нелинейного поглощения,
8
основанная на неадиабатическом возбуждении пакета вращательных уровней молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном короткоимпульсном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением.
7. Проведено экспериментальное исследование ионизационной трансформации спектра интенсивного фемтосекундного лазерного импульса при распространении в газонаполненном диэлектрическом капилляре. Впервые экспериментально продемонстрировано сжатие выходного импульса в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции, возникающей благодаря нелинейному процессу полевой ионизации газа.
8. Экспериментально продемонстрировано усиление фемтосекундных лазерных импульсов при вынужденном рамановском рассеянии в случае встречного распространения усиливаемого фемтосекундного импульса и частотно-модулированного широкополосного импульса накачки с той же несущей частотой в диэлектрических капиллярах, заполненных газовой плазмой, с рекордно большими значениями коэффициента усиления по спектральной интенсивности усиливаемого сигнала (~ Ю3) и но энергии
л
выходного излучения (~ 10“).
9. С использованием продольной спектральной интерферометрии проведены измерения плазменных волн большой амплитуды, возбуждаемых интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом с относительным возмущением плотности электронов в плазменной волне дпе! пе ~ 1 и
продольным ускоряющим электрическим полем порядка Еы 10 ГВ/м.
Практическая ценность диссертации
В работе продемонстрированы и развиты методы использования фемтосекундного лазерного излучения для микро- и наноструктурирования различных материалов (микроструктуры в халькогенидных стеклах при малой энергии в лазерном импульсе - глава 2, параграф 2.1, каналы с высоким аспектным отношением при аксиконной фокусировке - глава 3, параграф 3.1, наноструктуры на поверхности металлических пленок - глава
9
2, параграф 2.2). Эти результаты могут представлять практическую ценность в области оптоэлектроники, создания элементов оптической и магнитной памяти со сверхвысокой плотностью записи.
Ряд результатов (нелинейное поглощение интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере - глава 4, параграф 4.2, каналирование и снижение порога образования высоковольтного разряда постоянного тока -глава 4, параграф 4.1) представляется важным при геофизических приложениях интенсивного фемтосекундного излучения: исследования распространения такого излучения в атмосфере или управления молниевым разрядом.
Результаты 5 главы позволяют говорить о том, что плазма может быть средой, которую можно использовать для усиления (параграф 5.2) и компрессии (параграф 5.1) фемтосекундного излучения. Это открывает дорогу для создания фемтосекундных лазерных систем тераваттного и петаваттного уровня мощности со сверхкороткой длительностью лазерного импульса. Наконец исследование возбуждения плазменных волн большой амплитуды (параграф 5.3) демонстрирует возможность получения ускоряющих полей, на несколько порядков превышающих значения, достигаемые в обычных высокочастотных ускорителях электронов. Такие плазменные ускорители могут стать основой ускорителей нового поколения.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: конференция «Оптика лазеров» (С.-Петербург, 1993, 2000, 2006, 2008), Международная конференция по лазерам и электрооптике (CLEO, Anaheim, 1994, Балтимор, 1999, 2001, 2003), Международная конференция ‘High field interactions and short wavelength generation’ (St. Malo, 1994), VIII Конференция ‘Application of high field and short wavelength sources’ (Potsdam, 1999), Международное российско-итальянское совещание по лазерной физике ITARUS’2001 (Санкт-Петербург, 2001), Международная конференция по
10
когерентной и нелинейной оптике ICONO (Минск, 2001, С.-Петербург, 2005, Минск, 2007), Ежегодное международное совещание по лазерной физике LPHYS (Москва, 2001, Братислава, 2002, Триест, 2004), Международная конференция IQEC/LAT 2002 (Москва, 2002), Международный симпозиум но сканирующей зондовой микроскопии SPM’2003 (Н. Новгород, 2003), Международная научная конференция Ultrafast Optics 2001 (Chateau Montebello, Quebec, 2001), Международный симпозиум Topical Problems of Nonlinear Wave Physics’ (H. Новгород, 2003, 2005), Совместный
международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2004), II международный симпозиум ‘Frontiers of Nonlinear Physics’ (H. Новгород, 2004), IV Международный симпозиум ‘Modem problems of laser physics’, (Новосибирск, 2004), симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н. Новгород, 2005, 2007), III Международная конференция ‘Superstrong Fields in Plasmas’ (Varenna, 2005), X Международная конференция по многофотонным процессам ICOMP’2005 (Quebec, 2005), Международная конференция ‘High power laser ЬеагшХН.Новгород-Ярославль, 2006), Международная конференция “Advanced laser technology’06” (Брашов, 2006), Международная конференция “Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with Intense Ultrashort Laser Pulses”, 1АМРГ06 (Szeged, Hungary, 2006), XV симпозиум no спектроскопии высокого разрешения HighRus-2006 (Томск, 2006).
По теме диссертации опубликовано 20 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, 6 статей в сборниках, 39 тезисов докладов на конференциях, 1 препринт, получен 1 патент.
Структура и краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Общий объем диссертации составляет 182 страницы, включая 75 рисунков и список литературы из 209 наименований.
И
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы. Приводится информация о публикациях по теме диссертации. Кратко излагается содержание работы.
В первой главе приведено описание фемтосекундного тераваттного лазерного комплекса, созданного в ИПФРАН [29], на основе которого была выполнена большая часть экспериментальных исследований, составляющих содержание диссертационной работы. Рассматривается блок-схема созданного фемтосекундного лазерного комплекса, кратко описаны отдельные принципиальные элементы этой схемы. Более подробно рассмотрены вопросы обеспечения необходимого контраста лазерных импульсов. В связи с этим приведены результаты аналитических расчетов системы стретчер - компрессор усилительной схемы, позволяющих определить параметры элементов стретчера и компрессора, обеспечивающих минимальную длительность импульса на выходе лазерной системы с оптимальным временным контрастом.
Во второй главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения относительно невысокого (для фемтосекундной длительности лазерных импульсов) уровня интенсивности /<1()12 Вт/см2 с твердым телом с целью получения структур микро- и нанометрового масштаба. В первом параграфе главы исследуется микроструктурирование сильно нелинейных сред (халькогенидных стекол) с использованием задающего генератора фемтосекундных импульсов с энергией в импульсе, не превышающей IV & 1-2 нДж. Показано, что в такой срсдс уже при наноджоулыюй энергии в фемтосекундном лазерном импульсе может происходить образование структур из модифицированного вещества с субмикронными размерами. Исследованы закономерности возникновения микроструктур. Предложена модель, основанная на двухфотонном поглощении лазерного излучения и
12
последующего локального нагрева материала образца, позволившая непротиворечивым образом объяснить весь имеющийся экспериментальный материал.
Во втором параграфе главы излагаются результаты экспериментального исследования формирования наноструктур на поверхности мишеней из разных материалов при облучении зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) излучением фемтосекундного лазера. Продемонстрирована возможность образования на поверхности образцов углублений (кратеров) диаметром 20-100 нм и глубиной в несколько нанометров. Проведены исследования влияния зависимости порога образования наноструктур от поляризации лазерного излучения, длительности лазерного импульса, расстояния между острием зонда и поверхностью образца. Выполненный анализ экспериментальных результатов позволил сделать вывод о том, что основной причиной образования наноструктур на поверхности образцов при лазерном облучении зонда АСМ является разогрев зонда поглощенным лазерным излучением и его механическое давление на образец при термическом удлинении.
Третья глава диссертации посвящена исследованиям взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с прозрачными диэлектриками при аксиконной фокусировке. В экспериментах была продемонстрирована возможность формирования внутри диэлектрика длинных канатов с модифицированным веществом внутри, с поперечным размером порядка микрона и длиной до одного сантиметра (параграф 3.1). Были исследованы пространственная структура и спектральный состав излучения, прошедшего через область фокусировки. Далее в первом параграфе обсуждается, что и формирование протяженных канатов в диэлектриках, и особенности пространственного распределения прошедшего излучения (появление системы концентрических колец), генерация новых спектральных компонент связаны с возникновением плазмы в объеме диэлектрика при аксиконной фокусировке.
13
Во втором параграфе главы проведено исследование динамики ударных воли, генерируемых при аксиконной фокусировке интенсивного фемтосекундного излучения в полиметилметакрилате. Разработана новая оригинальная методика, основанная на спектральном анализе частотно модулированного оптического импульса. Применение этой методики позволило исследовать динамику ударной волны за один лазерный импульс с высоким пространственным и временным разрешением. Показано, что в образце могут генерироваться ударные волны достаточно большой амплитуды (> 10 ГПа) при энергии в лазерном импульсе в несколько миллиджоулей. Динамика поглощения диагностического излучения свидетельствует о сложном характере кинетики разрушения материала мишени при ударноволновом сжатии.
Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с распространением интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. В первом параграфе приведены результаты детального экспериментального и теоретического исследования высоковольтного разряда, стимулированного плазменной филаментой, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе. Основное внимание было обращено на исследования пороговых характеристик инициации разряда: зависимостей пробойного напряжения промежутка от энергии лазерных импульсов, длины промежутка, времени развития высоковольтного разряда от напряжения на электродах. Обширный экспериментальный материал послужил основой теоретическому описанию разрядных явлений, выполненному с учетом детального анализа основных процессов, играющих определяющую роль, в формировании разряда.
Во втором параграфе главы приводятся результаты экспериментального исследования другого нелинейного эффекта, обнаруженного нами при распространении интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере: нелинейного поглощения энергии фемтосекундных лазерных импульсов. При изучении поглощения лазерного излучения в атмосфере
14
оптоакустическим методом было обнаружено, что величина поглощения энергии импульсов фемтосекундной длительности значительно (на два-три порядка) превосходит величину поглощения наносекундных импульсов при одинаковой энергии в импульсе и одинаковых спектрах импульсов. Зависимость поглощенной энергии от энергии в лазерном импульсе в случае фемтосекундной длительности импульса была близка к квадратичной. На базе анализа экспериментальных результатов была построена модель нелинейного поглощения, основанная на возбуждении вращательного движения молекул воздуха за счет взаимодействия наведенного электрического дипольного момента молекул в сильном поле лазерного излучения с линейно поляризованным излучением.
В пятой главе приводятся результаты исследования взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с плазмой, создаваемой при распространении этого излучения в газах. Интенсивность излучения во всех экспериментах, о которых речь идет в пятой главе, заведомо превышает
1 А Л
уровень, необходимый для ионизации />10 Вт/см .
В параграфе 5.1. излагаются результаты исследований ионизационной трансформации спектра мощных лазерных импульсов с энергией до 10 мДж после их прохождения через диэлектрический капилляр, заполненный газом, и компрессии импульсов на внешнем компрессоре. В проведенных экспериментах было показано, что в лазерном импульсе, прошедшем через капилляр и ионизующем газ, наблюдается значительное уширение спектра. Было выполнено численное моделирование процесса распространения лазерных импульсов в капилляре в условиях эксперимента. На основе численного моделирования было предсказана возможность сжатия спектрально уширенного импульса в среде с нормальной дисперсией, что и было продемонстрировано экспериментально.
Во втором параграфе пятой главы приведены результаты исследования рамановского усиления коротких лазерных импульсов в плазме в процессе трехволнового взаимодействия. Для увеличения длины нелинейного
15
взаимодействия в выполненной работе использовался тонкий диэлектрический капилляр, заполненный плазмой. Приведена и кратко обсуждается основная модель, используемая для численного и аналитического анализа проблемы, обсуждается простейшая одномерная модель процесса. Далее приведены результаты экспериментов по реализации процесса обратного рамановского рассеяния в капилляре. В заключении кратко обсуждаются основные проблемы на пути создания реального рамановского усилителя.
В третьем параграфе приведены результаты исследования продольной и поперечной структуры плазменной волны, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом, с помощью метода продольной фемтосекундной интерферометрии. Было проведено численное моделирование возбуждения плазменной волны интенсивным гауссовым фемтосекундным импульсом. Были измерены колебания в плазменной волне, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом. Оцененные из экспериментальных данных возмущения относительной плотности электронов в плазменной волне составили Snjne ~ 1,
соответствующее продольное электрическое поле - порядка £« 10 ГВ/м, что находится в хорошем соответствии, как с аналитическими двумерными оценками, так и с релятивистским нелинейным двумерным численным моделированием.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены при непосредственном и активном участии автора. Автором осуществлялся выбор задач и методов исследований, разработка методик измерений и обработки результатов, постановка экспериментов и их проведение.
Автор выражает глубокую признательность коллегам, без помощи которых настоящая работа была бы невозможна:
Бабину A.A., который был моим путеводителем в физике лазеров,
16
- Київ+380960830922