ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................................4
Глава 1. Обзор основных работ по исследованию отклика сплошной и структурно-неоднородной твердотельной среды при взаимодействии с
фемтосекундным лазерным излучением............................................12
§1.1 Лазерно-индуцированная плазма под действием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения и процесс абляции в твердотельных
мишенях..................................................................12
§ 1.2 Невозмущающие методы диагностики сплошной и структурнонеоднородной твердотельной среды......................................20
Глава 2. Двухволновой гомодинный рефлектометр на базе хром-форстсритового лазера для изучения параметров сильно рассеивающих
структурно-неодпородных и лазерно-модифицированных сред.......................25
§2.1 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных и лазерно-модифицированных сред гомодинным рефлектометром, использующим основное излучение фемтосекундного хром-форстеритового лазера.....................................................................25
2.1.1 Экспериментальная схема и обработка результатов эксперимента.....25
2.1.2 Влияние концентрации рассеивателей на сигнал обратного рассеяния.29
2.1.3 Исследование процесса движения границы раздела фаз в структурно-неоднородной среде.....................................................33
2.1.4 Распространение фемтосекундных лазерных импульсов в структурнонеоднородных средах....................................................38
§2.2 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных сред гомодинным рефлектометром, использующим вторую гармонику основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера..................45
2.2.1 Теоретическая оценка эффективности преобразования основного излучения фемтосекундного хром-форстсритового лазера во вторую гармонику.........45
2.2.2 Экспериментальное измерение мощности второй гармоники и оценка эффективности преобразования основного излучения во вторую гармонику фемтосекундного хром-форстеритового лазера.............................47
2.2.3 Динамика распространения УК-лазерных импульсов в сильно-расссивающей среде на длине волны второй гармоники основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера (0.625 мкм).................................49
§2.3 Увеличение отношения сигнал/шум в схеме фемтосекундного
рефлектометра при применении в его схеме нелинейного поглотителя на базе
одностенных углеродных нанотрубок..........................................51
2.3.1 Исследование оптических свойств нелинейного поглотителя на основе одностенных УНТ...................................................... 51
2.3.2 Деградация нелинейного поглотителя под действием фемтосекундных лазерных импульсов..............................................................55
2.3.3 Увеличение отношения сигнал/шум в фемтосекундном рефлектометре с помощью нелинейного поглотителя на базе одностенных УНТ................57
2.3.4 Оптический профилометр на основе фемтосекундного рефлектометра...61
Выводы.....................................................................66
2
Глава 3. Исследование оптического отклика и микромодификаций твердотельных сред при воздействии на них интенсивного фемтосекундного ИК-лазерного излучения (1~10П-Н015 Вт/см2)............67
§3.1 Экспериментальная схема.............................................67
§3.2 Оптический отклик структурно-неоднородной твердотельной среды (дентина) при воздействии на неё фемтосекундным лазерным излучением с
интенсивностью I— 1011 1013 Вт/см........................................69
§3.3 Оптический спектр свечения плазмы, создаваемой в микроканале в структурно-неоднородной среде (дентин) фемтосекундным лазерным
излучением с интенсивностью I— 1015 Вт/см2...............................72
Выводы......................................................................77
Глава 4. Генерация и диагностика параметров жёст кого рентгеновского
излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы.......................78
§4.1 Методика генерации и регистрации жёсткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы с помощью рентгеновского спектрометра.........................................................78
4.1.1 Особенности генерации жёсткого К характеристического рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы................78
4.1.2 Принципиальная схема рентгеновского спектрометра на базе пропорционального блока детектирования и многоканального процессора..82
§4.2 Гснерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы в
микроканале, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением 89
4.2.1 Создание микроканала в оптически прозрачных средах и генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканале фемтосекундным лазерным излучением...................................89
4.2.2 Визуализация поверхностных и внутриобъёмных микромодификаций в кристалле ЫГ с помощью оптического возбуждения наведённых центров окраски.. 94
4.2.3 Генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканалс структурно-неоднородной среды фемтосекундным лазерным излучением...........................................................98
§4.3 Генерация характеристического излучения из плазмы в микроканале
твердотельной мишени, индуцированной фемтосекундным лазерным
излучением..............................................................104
4.3.1 Генерация характеристического излучения из плазмы в микроканале твердотельных мишеней различного элементного состава, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением..................................104
4.3.2 Исследование зависимости выхода характеристического излучения из плазмы, индуцированной в микрокаиале твердогельиой мишени фемтосекундным лазерным излучением, от глубины создаваемого микроканала.....................107
4.3.3 Исследование источника характеристического излучения, возникающего при создании микроканала................................................114
Выводы.....................................................................120
Благодарности..............................................................122
Заключение.................................................................123
Литера гура................................................................124
3
Введение
Актуальность темы
Создание и развитие фемтосекундных лазерных систем обеспечило возможность решения широкого класса задач по взаимодействию лазерного излучения сверхкороткой длительности с веществом [1-5]. Эффективность нелинейных взаимодействий и самовоздействий лазерного излучения зависит от напряженности светового поля и ограничивается интенсивностью, при которой развивается процесс ионизации среды. Для
л
фемтосекундных лазерных импульсов эта величина не превышает 100 ТВт/см [1]. При больших значениях интенсивностей (1>1 ПВт/см2) происходит быстрая ионизация атомов, и электроны с высоким темпом набирают энергию, которая может существенно превышать уровень в 1 кэВ. В итоге возникает так называемая фемтосекундная лазерная плазма (ФЛП), являющаяся новым уникальным физическим объектом. Она обладает концентрацией электронов, превышающей твердотельную плотность [1, 2], и отличается высоким градиентом плотности, при этом в поглощении и отражении лазерного излучения доминируют нелинейные механизмы. Плотная фемтосекундная лазерная плазма является источником сверхкоротких рентгеновских импульсов [2, 3, 6, 7]. Некогерентное
рентгеновское излучение, основу которого составляет тормозное и характеристическое излучение лазерной плазмы, может быть использовано как для диагностики параметров самой ФЛП, так и для таких задач как возбуждение низколежащих ядерных уровней [8], изучение химических процессов на сверхкоротких временах [9], микроскопия и неразрушающий контроль биологических объектов [10] и др.
В качестве мишеней для генерации ФЛП могут выступать объекты различной природы: вещество в конденсированном состоянии [2, 3] и кластеры [11], представляющие семейство наноматериапов. В последние годы всё больший интерес начинают привлекать структурнонеоднородные среды, проявляющие, с одной стороны, эффективные нелинейно-оптические свойства [12], а с другой стороны, позволяющие управлять параметрами ФЛП, существенно повышая энергию горячих электронов и выход рентгеновского излучения [13]. Под структурно-неоднородными средами в данной работе понимаются такие среды, компоненты которых различаются друг от друга по ряду физических параметров (коэффициенты рассеяния и поглощения, преломления, нелинейностям второго и третьего порядка н др.) на микро- и субмикронных масштабах. К множеству структурно-неоднородных сред можно отнести: фотонные кристаллы, сильно рассеивающие пористые объекты (пористые полупроводники и металлы и т.д.), объекты с волокнистой структурой (коллаген, дентин и т.д.) и др.
4
В большинстве работ, связанных с задачами взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, использовались металлические мишени.
Вместе с тем, слабо исследованные диэлектрические мишени по ряду причин также представляют значительный интерес. Во-первых, такие мишени менее чувствительны к контрасту лазерного излучения но сравнению с металлами. Во-вторых, процесс абляции (лазерно-стимулированное удаление вещества [14]) протекает по-разному для металлических и диэлектрических мишеней [15]. В-третьих, большинство диэлектриков прозрачно в оптическом диапазоне, и в них легко наблюдать индуцированные интенсивным лазерным излучением изменения (микромодификации, каналы). Наконец, большая часть биологических объектов (коллаген, костная ткань и др.), активно исследуемых в последнее время в рамках проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом, также относится к семейству диэлектриков. Диэлектрики являются мишенями с относительно малым атомным номером 2>~2(Н30, поэтому в них возможна эффективная генерация жесткого (более 2 кэВ) характеристического и тормозного рентгеновского излучения при интенсивностях лазерного излучения 1~10!5-1016Вт/см2 [16].
Картина взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с мишенью изменяется при переходе от одноимпульсного к многоимпульсном режиму. В этом случае происходит не только микромодификация поверхностного рельефа мишени, но и может формироваться кратер (или глубокий канал) в объеме мишени за счет процесса абляции. Растущий интерес к лазерной абляции излучением лазеров с ультракороткими длительностями импульсов вызван их применением в задачах прецизионной обработки материалов, элементного микроанализа, напыления плёнок и др. [17, 18]. Существенное преимущество фемтосекундных лазерных импульсов над лазерными импульсами с большими длительностями связано с высокими эффективностями ионизации, локализованным вкладом энергии в мишень, минимальной зоной термического и механического повреждениями [19]. При создании микроканала внутри мишени последовательностью высокоинтенсивных лазерных импульсов, энергия горячих электронов в микроплазме оказывается выше по сравнению с одноимпульсным режимом воздействия на мишень [20]. Вследствие этого должна происходить более эффективная генерация и характеристического рентгеновского излучения, что требует экспериментального исследования.
Особенностью создания микроканалов при нахождении мишени в воздухе является то обстоятельство, что при плотности энергии лазерного излучения сверхкороткой длительности свыше 20 Дж/см2 кроме «придонной» плазмы [21, 22] в канале появляется ещё и плазменное облако [21, 23]. Это плазменное облако, содержащее не только частицы ионизированного воздуха, но и продукты абляции мишени, может ухудшать условия фокусировки лазерного
5
излучения, уменьшать среднюю скорость абляции [20, 23] и модифицировать спектры плазмы мишени.
Для изучения создаваемых высокоинтенсивным лазерным излучением микромодификаций (микроканапов) может быть использована техника гомодинной рефлектометрии, которая во многом аналогична оптической когерентной томографии (ОКТ), основанной на использовании фемтосекундных лазеров и являющейся одним из невозмущающих методов диагностики структуры сильно рассеивающих объектов с высоким пространственным разрешением [24]. С помощью гомодинной рефлектометрии возможно также определить глубину созданных внутри мишени микроканалов и оценить среднюю скорость абляции. Важным параметром гомодинного рефлектометра является отношение сигнат/шум. Помимо балансной схемы компенсации шумов [25, 26], которая позволяет увеличить отношение сигнал/шум до 3 порядков, дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум возможно с помощью методов на основе использования нелинейных поглотителей.
6
Цели диссертационной работы:
1. Изучение возможности подавления шумов в том один ном рефлектометре на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера за счёт применения в его схеме нелинейного оптического поглотителя, состоящего из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Измерение глубин остаточных микромодификаций (микроканалов), возникающих в мишени при воздействии на неё интенсивным излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с помощью оптического профилометра на базе гомодинного рефлектометра с повышенным отношением сигнал/шум.
2. Исследование нелинейных процессов, возникающих при создании микроканалов в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера в диапазоне интенсивностей 1~1013*И015 Вт/см2.
3. Измерение выхода жестокого рентгеновского излучения (тормозного и К характеристического) из высокотемпературной плазмы, зажигаемой излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с интенсивностью 1=3-1015 Вт/см2 в создаваемом микроканале мишени, находящейся в воздухе.
Научная новизна:
1. Впервые реализовано увеличение отношения сигнал/шум в гомодинном рефлектометре, созданном на базе фемтосекундного хром-форстсригового лазера, за счёт применения нелинейного оптического поглотителя на основе одностенных УНТ, который использовался совместно с существующей балансной схемой подавления шумов. Продемонстрировано, что гомодинный рефлектометр может быть применен в качестве измерителя глубины микроканала. Предложена и реализована схема двухволнового гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера.
2. Впервые исследован оптический спектр плазмы дентина, зажигаемой в микроканапе излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с интенсивностью в диапазоне 1~1013+1015 Вт/см2. Зарегистрировано уширение спектра третьей гармоники излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в голубую область и наблюдено жёсткое (Е>15 кэВ) рентгеновское излучение при создании микроканапа в твердотельной мишени, находящейся в воздухе, при интенсивности (1=3-10,5Вт/см2).
3. Впервые выполнены измерения выхода К характеристического излучения Са и его угловой зависимости по мере создания в кристалле СаРг, находящемся в воздухе, микроканала последовательностью следующих с частотой 10 Гц высокоинтенсивных
(1-3-1015 Вт/см2) импульсов, генерируемых фемтосекундной хром-форстсритовой лазерной системой. Выход К характеристического излучения имеет локальный максимум, соответствующий времени завершения основной фазы создания микроканапа. Впервые при создании микроканала в мишени зарегистрировано К характеристическое излучение в направлении, параллельном поверхности мишени.
Научная к практическая значимость:
Применение в схеме гомодииного рефлектометра на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера нелинейного оптического поглотителя на основе одностениых УНТ позволяет дополнительно к существующей балансной схеме компенсации шумов увеличить отношение сигнал/шум рефлектометра.
Уширение третьей гармоники, возникающей в воздухе вблизи микроканала, может служить индикатором наличия плазменного облака, формируемого внутри микроканала в твердотельной мишени. Величина уширения спектра позволяет оценить концентрацию свободных электронов в плазменном облаке.
Повышение выхода характеристического излучения в процессе создания микроканала в
I Г 'У
мишени под действием высокоинтенсивных (1~ЗТ0 В г/см“) лазерных импульсов является практически важным для реализации схем эффективных источников лазерно-индуцированного рентгеновского излучения.
Защищаемые положения:
1. Сочетание нелинейного поглотителя на основе одностенных УНТ с балансной схемой компенсации шумов позволяет в схеме гомодинного рефлектометра, построенного на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера, увеличить отношение сигнал/шум системы до 5 раз при интенсивности падающего на нелинейный
7 2
поглотитель лазерного излучения 1~5-10 Вт/см . С помощью данного рефлектометра возможно измерение глубины микроканала в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах с пространственным разрешением около 25 мкм.
2. Плазменное облако, возникающее при создании микроканала под действием
■ 4* л
высокоинтенсивного (1~3-10 Вт/см ) излучения фемтосекундного хром-форегеритового лазера в твердотельной мишени (дентин), находящейся в воздухе, приводит к уширению в голубую область спектра третьей гармоники воздействующего лазерного излучения. При этом высокотемпературная придонная плазма является источником жёстких (Е>15 кэВ) рентгеновских квантов.
8
3. При воздействии последовательности остросфокусированных импульсов фемтосекундного лазера (1>1015 Вт/см2) на поверхность кристалла Cal’2 выход К характеристического излучения из создаваемого микроканала в мишени, находящейся в воздухе, меняется от импульса к импульсу и проходит через локальный максимум, соответствующий номеру лазерного импульса, при котором завершается основная стадия создания микроканала в мишени. Возникающее внутри микроканала вблизи поверхности твердотельной мишени плазменное облако служит распределенным источником рентгеновского излучения.
Апробация работы и новизна:
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях: 11-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных “Ломоносов-2004” (Москва, Россия, 2004), 8-я международная научно-техническая конференция “Оптические Методы Исследования Потоков-2005” (Москва, Россия, 2005), 10-я международная школа для студентов и молодых учёных по оптике, лазерной физике и биофизике “Saratov Fall Mccting-2006” (Москва, Саратов, 2006), 14-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных “Ломоносов-2007” (Москва, Россия, 2007), международная конференция по применению лазеров в науках о жизни “LALS-2007” (Москва, Россия, 2007), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике “ICONO/LAT 2007” (Минск, Белоруссия, 2007), международная конференция “ALT08” (Шиофок, Венгрия, 2008), 16-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных “Ломоносов-2009” (Москва, Россия, 2009), 39-я международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами “ФВЗЧК-2009” (Москва, Россия, 2009), III Всероссийская молодежная школа-ссминар с международным участием “Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики”, а также изложены в пяти авторских публикациях, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК.
Список опубликованных работ приведен в конце настоящего реферата.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов экспериментов, а также их интерпретация.
9
Структура н объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, благодарностей и списка цитированной литературы. Работа изложена на 135 страницах, включает 76 рисунков, 2 таблицы и список литературы с общим числом ссылок 147.
Краткое содержание диссерт ации
Во введении обсуждается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели, задачи исследования, защищаемые положения, определяется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также приводится краткое содержание диссертационной работы.
В первой главе приведён обзор литературы по теме диссертационной работы. Проанализированы основные особенности взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения е твердотельными мишенями. Обсуждены основные механизмы генерации высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы и связь таких её характеристик, как средняя энергия горячих электронов и выход квантов характеристического и тормозного рентгеновского излучения, с такими параметрами фемтосекундного лазерного излучения как интенсивность и длина волны. Рассмотрены особенности генерации высокотемпературной плазмы и сопутствующих процессов, возникающих при взаимодействии последовательности импульсов высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с лазерно-модифицированными и структурнонеоднородными твердотельными мишенями, находящимися в воздухе. Обсуждается специфика метода гомодинной рефлектометрии с временным разрешением применительно к задачам диагностики параметров лазерно-модифицированных и структурно-неоднородных твердотельных сред, приведены основные достоинства и недостатки данного невозмущающего метода диагностики, который основан на использовании квазинепрерывного фемтосекундного лазера. В выводах к первой главе на основании обзора литературы дается обоснование поставленным в диссертационной работе целям в виде кратких формулировок неисследованных задач, объединённых темой работы.
Во второй главе диссертационной работы приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на создание гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного лазера (в дальнейшем фемтосекундный рефлектометр). Изучены пути расширения его возможностей за счет повышения отношения сигнал/шум, перехода в другой спектральный диапазон. Рассмотрена применимость использования данного гомодинного рефлектометра в качестве оптического профилометра для измерения глубин микроканалов в твердотельных мишенях.
10
В третьей главе диссертационной работы приведены результаты исследования спектров оптического диапазона, излучаемых лазерно-индуцированной плазмой внутри микроканала в структурно-неоднородной твердотельной мишени, находящейся в воздухе. Описана схема экспериментальной установки на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера (длина волны лазерного излучения X,—1.24 мкм, длительность импульса т=140 фс, частота повторения импульсов 10 Гц, энергия в импульсе около 400 мкДж, диапазон интенсивностей 1~1013-1015 Вт/см2), волоконного спектрометра Solar TII, измерителя средней мощности лазерного излучения и фокусирующей оптики. Приведены результаты, связанные с процессом взаимодействия излучения хром-форстеритового лазера при низких уровнях интенсивностей (1~101,+1013 Вт/см2) со структурно-неоднородной твердотельной мишеныо, в качестве которой была взята пластинка дентина.
В четвёртой главе диссертационной работы приведены результаты исследования параметров жёсткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной плазмы внутри создаваемого последовательностью высокоинтенсивных лазерных импульсов микроканала в твердотельной мишени, находящейся в воздухе. Описана схема экспериментальной установки на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера (длина волны лазерного излучения Х=1.24 мкм, длительность импульса т=140 фс, частота повторения импульсов 10 Гц, энергия в импульсе до 500 мкДж, интенсивность 1«3-1015 Вт/см2), рентгеновского спектрометра, ФЭУ со сцинтиллятором Nal и фокусирующей оптики. Определён номер импульса в последовательности лазерных импульсов, при котором интегральный выход рентгеновского излучения имеет локальный максимум. Приведены результаты исследования зависимости выхода К характеристического излучения из кристалла CaF2 при воздействии на него в воздухе последовательностью высокоинтенсивных (1~3 -1015 Вт/см2) лазерных импульсов с различным контрастом (0.017 и 0.004) от глубины создаваемого микроканала. Описан механизм генерации жёсткого рентгеновского излучения в высокотемпературной плазме в микроканале твердотельной мишени, находящейся в воздухе, при котором может наблюдаться характеристическое излучение в направлении вдоль поверхности мишени.
11
- Київ+380960830922