Динамика взаимодействия ван-дер-ваальсовых атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Гец, Артем Викторович

• Гец, Артем Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гец, Артем Викторович

Введение.

Актуальность темы.

Цель работы.

Научная новизна работы.

Научная значимость и практическая ценность.

Положения, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Публикации.

Личный вклад автора.

Структура и объем диссертации.

Краткое содержание диссертации.

Глава 1. Кластерные пучки как мишень для интенсивных лазерных импульсов. Краткий обзор.

1.1 Введение.

1.2 Образование кластерных пучков.

1.2 Ионизация кластеров.

1.3 Нагрев кластерной плазмы.

1.4 Механизмы расширения кластеров.

1.5 Динамика кластеров в рамках гидродинамической модели.

1.6 Учет экспериментальных особенностей при теоретическом описании взаимодействия кластеров с лазерным излучением.

Глава 2. Вакуумный нагрев больших атомарных кластеров полем фемтосекундного лазерного импульса.

2.1 Введение.

2.2 Вакуумный нагрев.

2.3 Расширение кластера.

2.5 Выводы.

Глава 3. Ионизация в кластерных средах при воздействии сверхсильного лазерного излучения и ее влияние на электронную и ионную динамику.

3.1 Введение.

3.2 Потенциалы ионизации атомарных ионов в кластерах Аг, Кг и Хе при воздействии лазерного излучения.

Влияние экранирования на потенциалы ионизации многозарядных ионов в кластерах Аг, Кг и Хе.

Поле Хольцмарка.

3.3 Рассеяние электронов на кластерах.

3.4 Анизотропный разлет ионного остова кластера.

3.5 Выводы.

Глава 4. Внутренняя и внешняя ионизация атомарных кластеров сильным аттосекундным импульсом.

4.1 Введение.

4.2 Взаимодействие аттосекундных импульсов с атомарными кластерами.

4.3 Расчет угловых распределений фотоэлектронов.

Волновые функции.

Дифференциальное сечение.

Полное сечение фотоионизации.

4.4 Атомный гигантский резонанс в ксеноне.

4.5 Резонансное рассеяние рентгеновского излучения.

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика взаимодействия ван-дер-ваальсовых атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов»

Актуальность темы

Атомарный кластер представляет собой группу атомов, удерживаемых вместе силами межатомного взаимодействия. В настоящей работе рассматриваются большие кластеры, формирующиеся под действием ван-дер-ваальсовых сил и содержащие от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомов. Размер таких кластеров составляет до нескольких десятков нанометров.

Взаимодействие пучков атомарных кластеров с интенсивными (1015-Ю20 Вт/см2) короткими (< 1 пс) лазерными импульсами с середины 90-х годов прошлого века стало одним из направлений активных исследований в физике взаимодействия излучения с веществом. Интерес к атомарным кластерам в качестве мишени для лазерных импульсов обусловлен промежуточным состоянием, которым обладает структура кластеров по сравнению с газообразными и твердотельными мишенями. С одной стороны, высокая, сравнимая с твердотельной концентрация атомов в кластере позволяет достичь при лазерном облучении больших удельных плотностей энергии в веществе. С другой, кластеры содержат сравнительно малое количество материи и изолированы в пространстве. Поэтому механизмы быстрой передачи энергии отсутствуют, и нагрев происходит в небольшом объеме, приводя к появлению горячих электронов в образующейся плазме. Эти факторы в совокупности с ультракороткой длительностью применяемых лазерных * импульсов позволяют обеспечить в экспериментах очень высокую эффективность возбуждения вещества прежде, чем огромная плотность поглощенной кластером энергии приводит к его разлету.

Практическая ценность исследования взаимодействия интенсивных ультракоротких импульсов изучения с атомарными кластерами заключается в возможности получения фотонов и частиц с энергиями, значительно превышающими энергию фотонов падающего импульса. В частности, кулоновский взрыв внешних слоев кластера, происходящий вслед за вылетом из кластера существенной части электронов под действием лазерного импульса, приводит к генерации быстрых многозарядных ионов.

Кластерная плазма при определенных условиях может являться эффективным и компактным источником рентгеновского излучения. Поглощение лазерного излучения кластером приводит к образованию неоднородной горячей плазмы, состоящей из многозарядных ионов и захваченных ими электронов. Дальнейшая динамика кластерной плазмы после окончания лазерного импульса создает возбужденные многозарядные ионы и другие возбуждения в плазме, ведущие в последующем к испусканию коротковолновых фотонов. При этом обеспечивается достаточно высокая энергетическая эффективность преобразования лазерного импульса в рентгеновское излучение, составляющая более 1%.

Как показали эксперименты и теоретические расчеты, кластерные пучки могут быть также эффективной средой для генерации высших гармоник лазерного излучения, лежащих в интервале от ультрафиолета до мягкого рентгеновского диапазона. Интенсивность гармоник оказывается пропорциональна третьей степени концентрации атомов в кластере, в отличие от второй степени для газов.

Пучок дейтериевых кластеров при возбуждении ультракоротким лазерным импульсом может использоваться в качестве компактного источника быстрых нейтронов. При этом сначала происходит полная ионизация дейтериевых кластеров с потерей всех элекгронов, и дейтериевые ионы разлетаются под действием положительного нескомпенсированного заряда кластера. Ионы с поверхности кластера приобретают наиболее высокую энергию и способны вступить в термоядерную реакцию, ведущую к образованию нейтронов, после разлета плазмы.

Несмотря на существенное количество экспериментальных и теоретических работ по рассматриваемой тематике, динамика взаимодействия атомарных кластеров с полем сверхкоротких лазерных импульсов не является до конца изученной физической проблемой. Это объясняется большим разнообразием процессов, которые могут протекать в кластерах под действиехм лазерного излучения. Помимо этого постоянное совершенствование лазерной техники, и в частности, методов генерации интенсивных сверхкоротких импульсов позволяет исследовать их взаимодействие с кластерными пучками в новых диапазонах значений параметров эксперимента.

Нагрев свободных электронов, образующихся в ван-дер-ваальсовом кластере при ионизации атомов, за счет поглощения квантов лазерного изучения оказывает определяющее влияние на динамику системы. Помимо таких механизмов нагрева электронной подсистемы, как электрон-ионные столкновения (обратный тормозной эффект) и резонансное поглощение, также играет роль поглощение энергии лазерного импульса электронами на границе кластера и вакуума, описание которого само по себе актуальной задачей взаимодействия лазерных импульсов с атомарными кластерами.

Скорость процессов полевой и ударной ионизации в ионизованных кластерах, представляющих собой плотную плазму, заметно меняется по сравнению со случаем изолированных атомов и ионов. Является важным оценка и учет этого эффекта при рассмотрении эволюции кластеров, облучаемых лазерными импульсами.

В последние годы применение лазеров на свободных электронах позволило распространить исследования взаимодействия кластерных пучков с излучением в область вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского диапазона: Используемые при этом импульсы излучения имеют фемтосекундную длительность. В то же время недавние достижения в области генерации высоких гармоник лазерного излучения в газах позволяют получать в экспериментах импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд. Поэтому исследование взаимодействия атомарных кластеров с субфемтосекундными и аттосекундными импульсами на сегодняшний день также является актуальной задачей.

Цель работы

Целью работы является теоретическое исследование взаимодействия ван-дер-ваальсовых атомарных кластеров с полем интенсивных фемтосекундных и аттосекундных импульсов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи: Г. Рассмотреть различные механизмы нагрева электронов в кластерах инертных газов при облучении интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами. Определить области значений параметров лазерного излучения и кластеров, при которых эффективен каждый из механизмов. Исследовать механизм вакуумного нагрева электронов в кластерной плазме.

2. Изучить влияние эффектов экранировки в плотной кластерной плазме на потенциалы ионизации многозарядных атомарных ионов инертных газов. Рассмотреть влияние поля Хольцмарка атомарных ионов на уширение их основного и возбужденных состояний.

3. Исследовать угловые характеристики и энергетические спектры электронов и ионов, образующихся при разлете кластерной плазмы после воздействия ультракороткого лазерного импульса, в частности, в случае сверхвысоких интенсивностей лазерного излучения, когда кинетическая энергия электронов сравнима с энергией покоя.

4. Рассмотреть динамику ионизации атомарных кластеров Аг, Кг и Хе в поле сильного аттосекундного импульса мягкого рентгеновского излучения. Проанализировать отличия протекающих процессов по сравнению со случаем фемтосекундных лазерных импульсов.

Научная новизна работы

1. Вакуумный механизм нагрева электронов обобщен для случая больших сферических атомарных кластеров, облучаемых интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами. Впервые построена модель гидродинамического расширения кластера, учитывающая указанный механизм поглощения лазерной энергии кластерной плазмой, и получено ее решение в универсальном виде.

2. Впервые рассчитаны потенциалы ионизации многозарядных ионов Аг, Кг и Хе. в кластерной плазме в широком диапазоне электронных температур с учетом дебаевского экранирования.

3. Получены угловые распределения релятивистских электронов, испускаемых атомарными кластерами в поле линейно-поляризованного сверхсильного

19 2 фемтосекундного лазерного импульса с пиковой интенсивностью 10 Вт/см.

4. Осуществлено теоретическое рассмотрение взаимодействия интенсивных импульсов излучения аттосекундной длительности с ван-дер-ваальсовыми кластерами атомов инертных элементов. Впервые продемонстрировано резонансное увеличение сечения рассеяния мягких рентгеновских лучей ксеноновыми кластерами.

Научная значимость и практическая ценность

Практическая ценность проведенных теоретических исследований связана с задачей повышения эффективности экспериментов по взаимодействию интенсивных импульсов излучения с кластерными мишенями как компактного и относительно недорогого источника высокоэнергетичных электронов и ионов, жесткого рентгеновского линейчатого излучения, высоких гармоник лазерного излучения.

Результаты работы способствуют созданию целостного теоретического описания взаимодействия атомарных кластеров со сверхкороткими лазерными импульсами в различных областях значений параметров, характеризующих систему (таких, как частота, интенсивность и длительность импульса, вещество кластера и его размер), а также указывают направления дальнейших экспериментальных исследований. Отдельно можно выделить следующие аспекты: •

1. Рассчитана мощность лазерного излучения, поглощаемого кластером за счет вакуумного нагрева. Результат расчетов позволяет дополнить модели эволюции больших кластеров в гидродинамическом режиме с учетом указанного механизма нагрева, а также определить оптимальные параметры эксперимента для получения высокоэнергетичных электронов

2. Полученные в работе значения потенциалов ионизации атомов инертных газов в плотной плазме могут быть использованы для вычисления скоростей полевой и ударной ионизации, а также механизма лавинного усиления процесса ионизации под действием статического поля ионизованного кластера. Эти результаты; легко пересчитываются при учете механизма гидродинамического расширения кластера.

3. Сравнение рассчитанных в диссертации угловых распределений электронов, вылетающих из кластера под действием фемтосекундного импульса, с экспериментальными данными будет способствовать восстановлению картины процесса внешней ионизации кластеров при сверхвысоких интенсивностях падающего излучения.

4. Изученные теоретически процессы ионизации высокоэнергетичными фотонами при облучении кластеров инертных элементов аттосекундными импульсами ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазона в ближайшие годы могут стать объектом экспериментальных исследований. В случае кластеров Хе предсказана возможность наблюдения резкого увеличения мощности рассеянного излучения.

Положения, выносимые на защиту

1. Вакуумный нагрев является эффективным механизмом образования горячих электронов с энергиями порядка 10 кэВ в больших атомарных кластерах, облучаемых короткими сильными лазерными импульсами (интенсивность 1016-1017 Вт/см2, длительность - десятки фс). Поглощение лазерной энергии электронной подсистемой за счет вакуумного нагрева и расширение кластера под давлением нагретого электронного газа определяются одним безразмерным параметром (определяемым условиями эксперимента), который пропорционален скорости расширения по окончании импульса.

2. Потенциалы ионизации многозарядных атомарных ионов инертных газов в плотной кластерной плазме, рассчитанные с использованием теории возмущений с учетом дебаевского экранирования, при энергиях электронной подсистемы более 50 эВ с высокой точностью согласуются с результатами численного решения уравнения Шредингера.

3. Переход от импульсов фемтосекундной длительности к аттосекундным при взаимодействии с атомарными кластерами приводит к существенному изменению характерной динамики процессов внутренней и внешней ионизации. В частности испускаемые электроны имеют монохроматический спектр, а их угловое распределение определяется лишь характеристиками однофотонной ионизации изолированных атомов.

4. При облучении ксеноновых кластеров излучением мягкого рентгеновского диапазона на длине волны около Л = 12 нм вследствие эффекта гигантского атомного резонанса должен наблюдаться резкий рост сечения рассеяния излучения на кластере по сравнению с аргоновыми и криптоновыми кластерами. Если радиус кластера R « Я, сечение рассеяния в отличие от газообразной среды пропорционально квадрату числа атомов, составляющих кластер.

Апробация работы

Основные результаты диссертации доложены на следующих международных и общероссийских конференциях и научных школах:

1. XLVII Научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", секция "Прикладная теоретическая физика", Долгопрудный, 26-27 ноября 2004 г.

2. Научная сессия МИФИ-2005. III конференция научно-образовательного центра CRDF "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", Москва, 24 -28 января 2005 г.

3. Зимняя студенческая" школа по физике "Физика экстремальных состояний и процессов", Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ-ВНИИТФ), Снежинск, Челябинская область, 27 января - 4 февраля 2005 г.

4. VI Школа молодых ученых ИБРАЭ РАН, Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва, 21-22 апреля 2005 г.

5. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the Conference on Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2005, St. Petersburg, Russia, May 11 - 15,

2005.

6. XLVIII Научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 25 - 26 ноября 2005 г.

7. Ultrafast Dynamic Imaging Workshop, Imperial College, London, 9-11 April 2006.

8. Школа молодых ученых ИБРАЭ РАН, Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва, 20-21 апреля 2006 г.

9. 4th Workshop "Complex Systems of Charged Perticles and their Interaction with Electromagnetic Radiation. Physics of Complex Systems", A.V. Prokhorov General Physics Institute, Mosow, Russia, April 19-21, 2006.

10. II Всероссийская конференция молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем", Томск, 4-6 мая 2006 г.

11. 15th International Laser Physics Workshop, LPHYS'06, Lausanne, Switzerland, July 24 -28,

2006.

12. V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (PPPT-5), Minsk, Belarus, September 18-22, 2006.

13. XLIX Научная конференция МФТИ, Долгопрудный, 24 - 25 ноября 2006 г.

14. XXXIV Международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород, 12-16 февраля 2007 г.

15.5th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation", A.V. Prokhorov General Physics Institute, Moscow, Russia, April 11 - 13,2007.

16. VIII Школа молодых ученых ИБРАЭ РАН, Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва, 26 - 27 апреля 2007 г.

17. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the Conference on Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus, May 28 - June 1, 2007.

18.6th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation", A.M.Prokhorov General Physics Institute, Moscow, Russia, April 9- 11,2008.

19. 17th International Laser Physics Workshop, LPHYS'08, Trondheim, Norway, June 30 - July 4, 2008.

20. XXXVI Международная конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 9-13 февраля 2009 г.

21. Третья Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИ экспериментальной физики, Саров, 20 - 23 апреля 2009 г.

22. 2nd International Conference on Attosecond Physics ATTO-09, Kansas State University, Manhattan, Kansas, USA, July 28 - August 1, 2009.

23. International Conference "Light at Extreme Intensities - Scientific opportunities and technological issues of the Extreme "Light Infrastructure - LEI 2009", Brasov, Romania, October 16-21,2009.

24. International Workshop "Atomic Physics 2009", Max Plank Institute for Complex Systems, Dresden, Germany, November 23 - 27, 2009.

25.30th International Workshop on Physics of High Energy Density in Matter, Hirschegg, Austria, January 31 - February 5, 2010.

26. XXIV Съезд по спектроскопии. Молодежная школа по оптике и спектроскопии, Москва-Троицк, 1 - 5 марта 2010 г.

27. Результаты работы неоднократно были представлены на семинаре по физике многофотонных процессов в институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано более 20 работ, из них 4 статьи в рецензируемых отечественных и международных журналах, свыше 16 публикаций в трудах научных конференций:

1. A.V. Getz, V.P. Krainov. Vacuum heating of large atomic clusters by a super-intense femtosecond laser pulse // ЖЭТФ. - 2005. - T. 128, вып. 1(7). - С. 95-102.

A.V. Getz, V.P. Krainov. Vacuum heating of large atomic clusters by a super-intense femtosecond laser pulse //JETP.- 2005.-Vol. 101.-N. l.-P. 80-87.

2. A.V. Gets and V.P. Krainov, The ionization potentials of atomic ions in laser irradiated Ar, Kr and Xe clusters // Journal of Physics B: At. Mol. Opt. Phys. - 2006. - Vol. 39. - P. 17871795.

3. A.V. Gets and V.P. Krainov. Rescattering of electrons at the laser-cluster interactions // Laser Physics. - 2007. - Vol. 17. - N. 5. - P. 604-607.

4. A.V. Gets and V.P. Krainov. Angular distribution of ejected electrons at the laser-cluster interactions // Laser Physics. - 2007 - Vol. 17. - N. 6. - P. 880-883.

5. А. Гец, В.П. Крайнов. Вакуумный нагрев больших атомарных кластеров полем фемтосекундного лазерного импульса // Труды XLVII Научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук". Часть VIII "Физика и энергетика". 26-27 ноября 2004 г. - Москва - Долгопрудный, 2004. (С. 68-69).

6. А.В. Гец, В.П. Крайнов. Вакуумный нагрев электронов в кластерной плазме, создаваемой сверхсильным фемтосекундным лазерным импульсом // Научная сессия МИФИ-2005. III конференция научно-образовательного центра CRDF "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях" Сборник научных трудов-М: МИФИ, 2005-100 с (С.63)

7. А.В. Гец. Вакуумный нагрев больших атомарных кластеров полем фемтосекундного лазерного импульса /А Сборник трудов VI научной школы молодых ученых ИБРАЭ РАН, проходившей 21—22 апреля 2005 г. (Препринт / Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, №IBRAE-2005-06). - М.: ИБРАЭ РАН, 2005. -74 с.

8. V.P. Krainov, A.V.Getz. Vacuum heating of cluster plasma by the field of a femtosecond laser pulse // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the

Conference on Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2005, St. Petersburg, Russia, May 11-15, 2005. Technical Digest, IThFl.

9. A.B. Гец, В.П. Крайнов. Потенциалы ионизации атомарных ионов в кластерах Аг, Кг, Хе при воздействии лазерного излучения // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов II Всероссийской конференции молодых ученых (4—6 мая 2006 г., г. Томск). — Томск: Томский государственный университет, 2006. - 512 с. (С. 179-182).

10. A.V. Gets, V.P. Krainov. Ionization potentials of atomic ions in laser-irradiated Ar, Kr and Xe clusters // 15th International Laser Physics Workshop, LPHYS'06, Lausanne, Switzerland, July 24-28, 2006. Book of Abstracts. - P. 141.

11. A.V. Gets, V.P. Krainov. The ionization potentials of atomic ions in laser-irradiated Ar, Kr and Xe clusters // V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" (PPPT-5), Minsk, Belarus, September 18-22, 2006. Contributed Papers, Volume 1, Institute of Molecular and Atomic Physics, National Academy of Sciences of Belarus. - P. 432-434.

12. A.B. Гец, В.П. Крайнов. Ионизационные потенциалы атомарных ионов в кластерной плазме при облучении фемтосекундным лазерным импульсом // Тезисы докладов XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 12-16 февраля 2007 г. - М.: ЗАО НТЦ "ПЛАЗМАИОФАН", 2007. - 312 с. (С. 164).

13. А.В. Гец, В.П. Крайнов. Рассеяние электронов при взаимодействии лазерного излучения с кластерами // Тезисы докладов XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, г.Звенигород, 12-16 февраля 2007 г. - М.: ЗАО НТЦ "ПЛАЗМАИОФАН", 2007. - 312 с. (С. 222).

14. Gets A.V., Krainov V.P. Rescattering of electrons at the laser-cluster interactions // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the Conference on Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus, May 28 - June 1, 2007. Conference Program. - P. 68. Technical Digest, I03/III-3.

15. A.V. Gets, V.P. Krainov. Angular distributions of atomic ions at the irradiation of large atomic clusters by intense femtosecond laser pulses // 17th International Laser Physics Workshop, LPHYS'08, Trondheim, Norway, June 30-July 4, 2008. Book of Abstracts. -P. 158.

16. A.B. Гец, В.П. Крайнов, Фононная рекомбинация носителей заряда на примесях в полупроводниках при сверхнизких температурах // Тезисы докладов XXXVI

Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 9-13 февраля 2009 г. - М.: ЗАО НТЦ "ПЛАЗМАИОФАН", 2009. - 358 с.

17. Гец А.В., Крайнов В.П. Фононная рекомбинация носителей заряда, индуцированных лазерным излучением, . на примесях в полупроводниках при сверхнизких температурах // Сборник докладов "Третьей Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям", 20-23 апреля 2009 г. - Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ".

18. A.V. Gets and V.P. Krainov. Inner and Outer Ionization of Atomic Clusters by an Intense Attosecond Laser Pulse // 2nd International Conference on Attosecond Physics ATTO-09, Kansas State University, Manhattan, Kansas, USA, July 28 - August 1, 2009. Book of Abstracts. - P. 69.

19. A.V. Gets and V.P. Krainov. Inner and Outer Ionization of Atomic Clusters by an Intense Attosecond Laser Pulse // International Conference "Light at Extreme Intensities - Scientific opportunities and technological issues of the Extreme Light Infrastructure - LEI 2009", Brasov, Romania, October 16-21, 2009. Book of Abstracts. - P. 90.

20. A.B. Гец, В.П. Крайнов. Внутренняя и внешняя ионизация атомарных кластеров сильным аттосекундным лазерным импульсом // Труды XXIV-ro Съезда по спектроскопии: Том 2. - Троицк: "Тровант", 2010. - 290 с. (С. 523).

Личный вклад автора

Все оригинальные результаты диссертационной работы получены автором лично либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось построение теоретических моделей, проведение расчетов в- аналитической и численной форме, анализ и интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Каждая глава имеет выводы, в которых сформулированы основные результаты по данной главе. Объем диссертации составляет 106 страниц, в том числе 51 рисунок и 6 таблиц. В конце диссертации приведен библиографический список из 113 наименований.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Гец, Артем Викторович

Основные результаты и выводы диссертации

1. Механизм вакуумного нагрева, первоначально предложенный для полубесконечной плазмы с плоской границей, облучаемой интенсивным /^-поляризованным лазерным импульсом, модифицирован и применен к случаю больших атомарных кластеров с учетом их расширения под действием давления нагретых электронов. Получены универсальные зависимости для поглощенной кластером лазерной энергии и радиуса расширяющегося кластера как функции времени. Показано, что эволюция кластера под действием фемтосекундного импульса определяется одним безразмерным параметром, пропорциональным конечной скорости разлета ионного остова кластера. Сравнение предсказаний модели с результатами существующих экспериментов позволяет сделать вывод о заметном влиянии вакуумного нагрева на динамику кластерных мишеней под действием лазерного импульса. Это влияние особенно существенно в случае интенсивных (1016-1017 Вт/см2) коротких импульсов (десятки фс), когда снижается вклад обратного тормозного эффекта и резонансного увеличения поглощения лазерной энергии. Полученные в диссертации результаты свидетельствуют о существенном влиянии границы "кластер-вакуум" на процесс поглощения энергии лазерного излучения кластерной плазмой. Этот эффект связан с рассогласованием фазы между движением свободного электрона и лазерным полем при рассеянии на неоднородностях потенциала.

2. Эффекты экранирования приводят к снижению потенциалов ионизации атомарных ионов в плотной кластерной плазме по сравнению с потенциалами ионизации изолированных ионов. Увеличивая скорость внутренней ионизации, это явление оказывает сильное влияние на эволюцию атомарных кластеров на переднем фронте лазерного импульса. В диссертации численно рассчитаны потенциалы ионизации многозарядных ионов инертных газов в кластерной плазме в широком интервале электронных температур. Получено простое аналитическое выражение, с высокой точностью аппроксимирующее численные расчеты при энергиях электронов выше 3050 эВ. Результаты могут быть полезны при вычислении вероятностей полевой и ударной ионизации в кластерах. Также рассмотрено уширение атомных уровней квазистатическим микрополем Хольцмарка и показано, что оно значительно меньше соответствующих энергий связи.

3. Проведенное моделирование угловых распределений электронов, испускаемых ван-дер-ваальсовыми кластерами при облучении сверхсильными (интенсивностью до 1019 Вт/см ) фемтосекундными импульсами, дает возможность восстановить в деталях динамику внешней ионизации кластеров при сравнении с экспериментальными данными. Рассмотрена зависимость угловых распределений от интенсивности и длительности лазерного импульса, а также положения кластера в фокальной области по отношению к оси лазерного луча. Обнаружено быстрое увеличение кинетической энергией электрона с ростом угла его отклонения. Эта корреляция - результат зависимости как энергии, так и угла от фазы лазерного поля в момент внешней ионизации.

4. Теоретически исследованы процессы внутренней и внешней ионизации ван-дер-ваальсовых кластеров интенсивными импульсами аттосекундной длительности. Показано, что лишь небольшая часть атомов кластера ионизуется в течение аттосекундного импульса. Все свободные электроны, появляющиеся внутри (не очень большого) кластера в результате внутренней ионизации, покидают кластер. Продемонстрировано, что энергетические и угловые распределения электронов, эмитируемых кластерами в таких условиях, определяются в отличие от фемтосекундных импульсов только характеристиками процесса фотоионизации одиночных атомов. Получены простые выражения для дифференциального сечения фотоионизации в рамках теории возмущений первого порядка.

5. Показано, что при облучении ксеноновых кластеров излучением мягкого рентгеновского диапазона на длине волны около Я=12нм вследствие эффекта гигантского атомного резонанса должен наблюдаться резкий рост выхода многозарядных ионов, а также сечения рассеяния излучения на кластере по сравнению с аргоновыми и криптоновыми кластерами. В случае, если радиус кластера R « Л, сечение рассеяния оказывается пропорциональным квадрату числа атомов, составляющих кластер.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гец, Артем Викторович, 2010 год

1. Т. Ditmire, Т. Donnelly, A.M. Rubenchik, et al. // Phys. Rev. A, 53, 3379 (1996).

2. F. Brunei. // Phys. Rev. Lett., 59, 52 (1987).

3. V.P. Krainov, M.B.Smirnov. // Phys. Rep., 370, 237 (2002).

4. I. Last, J. Jortner. // Phys. Rev. A, 62, 013201 (2000).

5. M. Hohenberger, et al. // Phys. Rev. Lett. 95, 195003 (2005).

6. J.W.G. Tisch, T.Ditmire, D.J.Fraser, et al.// J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys., 30, L709, (1997).

7. S. August, D. Strickland, D.D. Meyerhofer, et al.// Phys. Rev. Lett, 63, 2212 (1989).

8. M. Hirokane, S. Shimizu, M. Hashida, et al. // Phys. Rev. A., 69, 063201 (2004).

9. T. Ditmire, et al. // Nature, 398, 489 (1999).

10. J. Zweiback, et al. // Phys. Rev. Lett., 85, 3640 (2000).

11. Boyer К et al.// J. Phys. В 27 4373 (1994).

12. В.П. Крайнов, М.Б. Смирнов. // УФЫ, 170, 969 (2000).

13. V.P. Krainov, M.B.Smirnov. // Phys. Rev A, 69, 043201 (2004).

14. U. Saalmann, Ch. Siedschlag and J M Rost. // J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys.,39, R39 (2006).

15. Г.Н. Макаров. // УФН, 179, 487 (2009).

16. Т. Ditmire. // Contemp. Phys., 38 (5), 315 (1998).

17. O.F. Hagena. // Rev. Sci. Instrum., 63 2374 (1992).

18. M.B. Амосов, Н.Б. Делоне, В.П. Крайнов // ЖЭТФ, 91, 2008 (1986).

19. W. Lotz. // Z. Phys 216, 241 (1968).

20. В.П. Крайнов, Б.М. Смирнов, М.Б. Смирнов. // УФН, 177, 953 (2007).

21. Е.А. Дорофеев, В.П. Крайнов. Электродинамика сплошных сред: Учеб. пособие. -2-е изд., испр. М.: МФТИ, 1999. - 160 с.

22. В.П. Силин. // ЖЭТФ, 47, 2254 (1964).

23. I. Last and J. Jortner, Phys. Rev. A 73, 013202 (2006).

24. V. Kumarappan, M. Krishnamurthy, and D. Mathur.// Phys. Rev. A, 66, 033203 (2002).

25. H.M. Milchberg, et al. // Phys. Rev. E 64, 056402, (2001).

26. C. Siedschlag, J.M. Rost // Phys. Rev. Lett., 89, 173401 (2002).

27. U. Saalmann, J.M. Rost // Phys. Rev. Lett., 91, 223401 (2003).

28. C. Jungreuthmayer, et al. // Phys. Rev. Lett., 92, 133401, (2004).

29. M.R. Islam, U. Saalmann, and J.M. Rost. // Phys. Rev. A 73, 041201 (2006).

30. B.M. Smirnov. Clusters and Small Particles: in Gases and Plasmas. New York: Springer, 2000.-279 p.

31. E. Springatc, et al.// Phys. Rev. A., 61, 063201 (2000).

32. V. Kumarappan, M. Krishnamurthy, D. Mathur. // Phys. Rev. Lett., 87, 085005-1 (2001).

33. В.П. Крайнов, М.Б. Смирнов. // Ядерная физика, 64(4), 643 (2001).

34. L.M. Chen, et al. // Phys. Plasmas, 8, 2925, (2001).

35. Y. Sentoku, et al. // Phys. Plasmas, 6, 2855 (1999).

36. F. Megi, et al. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 36, 273 (2003).

37. V.P. Krainov, A.S. Roshchupkin. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 34, L297, (2001).

38. В.П. Крайнов, М.Б. Смирнов. // ЖЭТФ, 92, 626 (2001).

39. Р.В. Corkum. // Phys. Rev. Lett., 71, 1994 (1993).

40. М.Б. Смирнов. // ЖЭТФ, 97, 42 (2003).

41. J. Liu, et al. // Phys. Rev. A, 64, 033426 (2001).

42. E. Springate, et al. // Phys. Rev. A, 68, 053201 (2003).

43. A.V. Sofronov, V.P. Krainov. // J Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 37, L329 (2004).

44. E. Springate, et al. // Phys. Rev. A, 61, 044101 (2000).

45. L.M. Chen, et al. // Phys. Plasmas, 9, 3595 (2002).

46. C. Rose-Petruck, et al. // Phys. Rev. A, 55, 1182 (1997).

47. S.C. Wilks, W.L. Kruer, M. Tabak, A.B. Langdon, Phys. Rev. Lett. 69, 1383 (1992).

48. G. Malka, J.L. Miguet, Phys. Rev. Lett. 77, 75 (1996).

49. F. Dorchies, et al. // Phys Rev E, 71, 066410 (2005).

50. S. Micheau, et al. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 38, 3405 (2005).

51. U. Gupta and А К Rajagopal. // J. Phys. B, 14, 2309 (1981).

52. U. Gupta and А К Rajagopal. // Physics Reports, 87, 261 (1982).

53. Handbook of Chemistry and Physics. 79th edn, ed. D R Lide London: CRC Press, 19981999.

54. Л.Д. Ландау и E.M. Лифшиц. Теоретическая физика: Учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. III. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — 4-е изд, испр. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 768 с.

55. Ch.R. Smith. // Phys. Rev, 134 (5a), A1235 (1964).

56. V.P. Krainov, H.R. Reiss, B.M. Smirnov. Radiative Processes in Atomic Physics. New York: Wiley, 1997.

57. Л.А. Вайнштейн, И.И. Собельман, E.A. Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979. — 319 с.

58. Н.Б. Делоне, В.П. Крайнов, Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001 312 с.

59. М.В. Smirnov, W. Becker. // Phys. Rev. A, 69, 013201 (2004).

60. E.B. Saloman. // J. Phys. Chem. Ref. Data, 33, 765 (2004).

61. C.F. Hooper. // Phys. Rev., 165, 215 (1968).

62. C.F. Hooper. // Phys. Rev., 169, 193 (1968).

63. C. Siedschlag, J.M. Rost. // Phys. Rev. A, 67, 013404 (2003).

64. I. Last, J. Jortner. // Phys. Rev. A, 60, 2215 (1999).

65. U. Saalman. // J. Mod. Phys., 53, 173 (2006).

66. J. Ortner, M.Yu. Romanovsky. // Phys. Lett. A, 285, 165 (2001).

67. M.Yu. Romanovsky, W. Ebeling. // Phys. Lett. A, 317, 150 (2003).

68. F.Krausz and M. Ivanov. // Rev. Mod. Phys. 81 163 (2009).

69. H. B. van Linden, van den Heuvell, and H.G. Muller, in Midtiphoton Processes, Ed. by S. J. Smith and P. L. Knight Cambridge: Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1988.

70. T. F. Gallagher. // Phys. Rev. Lett., 61, 2304 (1988).

71. H. G. Muller. // Comments At. Mol. Phys., 24, 355 (1990)

72. A. L.'Huillier, et al. // Phys. Rev.'A, 48, R3433 (1993).

73. M.B. Smirnov and V.P. Krainov. // Phys. Plasmas, 10, 443 (2003).

74. Y.L. Shao, et al. // Phys. Rev. Lett., 77, 3343 (1996).

75. V. Kumarappan, M. Krishnamurthy, and D. Mathur, Phys. Rev. Lett. 87, 085005-1 (2001).

76. M. Krishnamurthy, D. Mathur, and V. Kumarappan, Phys. Rev. A 69, 033202 (2004).

77. M. Hirokane, et al. // Phys. Rev. A., 69, 063201 (2004).

78. D.R. Symes, et al. // Phys. Rev. Lett., 98, 123401 (2007).

79. B.N. Breizman, A.V. Arefiev, and M.V. Fomytskyi. // Phys. Plasmas, 12, 056706 (2005).

80. L. Hongyu , L. Jianshen, W. Cheng, N. Guoquan, L. Ruxin, and X. Zhizhan, Phys. Rev. A 74, 023201 (2006).

81. P.M. Paul, et al. // Science 292 1689 (2001).

82. G. Sansone, et al. // Science 314 443 (2006).

83. E. Goulielmakis, et al. // Science 320 1614 (2008).

84. Femtosecond Laser Pulses. Principles and Experiments. Ed. by C. Rulliere 2nd. edition (Springer) chapter 12.

85. B.C. Растунков. Ионизация и генерация гармоник при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с атомами и плотными средами. — Дисс. уч. ст. канд. физ.-мат. наук. — Долгопрудный: 2007. 127 с.

86. F. Amiranoff et al, Proposal for a European Extreme Light Infrastructure (ELI) // web: http://^v\v.extreme-liaht-infrastructure.eu/pictures/ELI-seientific-case-idl 7.pdf

87. P. B. Corkum and F.Krausz. // Nat. Phys. 3 381 (2007).

88. F. Quere, et al. // Phys. Rev. Lett. 96, 125004 (2006).

89. U. Saalman, I. Georgescu and J.M. Rost. // New J. Phys. 10 025014 (2008).

90. Л.Д. Ландау и E.M. Лифшиц. Теоретическая физика: Учеб. пособие. В 10 т. Т. IV/В.Б. Берестецкий, Е.М. Лившиц, Л.П. Питаевский. Квантовая электродинамика. -3-е изд, испр. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 728 с.

91. J. Zweiback, et al // Phys. Rev. Lett. 84 2634 (2000).

92. А. А. Смирнов и Б. M. Радциг. Справочник по атомной и молекулярной физике. -М.: Энергоатомиздат, 1986. С.60.

93. Е.А. Pronin, et al. // Phys. Rev. A 80 063403 (2009).

94. N.B. Delone, S.P. Goreslavsky and V. P. Krainov. // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 16 23692376 (1983).

95. Г. Бете, Э. Солпитер. Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами: Пер. с англ. М.: Физматгиз, 1960. - 562 с.

96. J. Cooper and R. N. Zare. // J. Chem. Phys. 48 942 (1968).

97. N. Shanthi, et al. // Phys. Rev. A 17 (12) 4720 (1988).

98. R. Haensen, et al.// Phys. Rev. 188 (3) 1375 (1969).

99. D.L. Ederer. // Phys. Rev. Lett 13 (25) 760 (1964).

100. G. V. Marr and J. B. West. // At. Dat. Nucl. Dat. Tab. 18 497-508 (1976).

101. J. B. West, J. Morton. // At. Dat. Nucl. Dat. Tab. 22 103-107 (1978).

102. М.Я. Амусья, В.К.Иванов //Успехи физических наук.-1987-Т.152.-К2.-С. 185-230.

103. V. Schmidt. //Rep. Prog. Phys. 55, 1483 (1992).

104. I.G. Kaplan. // Z. Phys. D 40 375-380 (1997).

105. M. Richter, et al. // Phys. Rev. Lett 102 163002 (2009).

106. B.F. Murphy, et al. // Phys. Rev. Lett 101 203401 (2008).

107. H. Thomas, et al. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 42 134018 (2009).

108. T. Nakamura, et al. // Phys. Rev. A 80, 053202 (2009).

109. Н.Б. Делоне, В.П. Крайнов. Основы нелинейной оптики атомарных газов. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 184 с.

110. A.V. Getz, V.P. Krainov. // JETP, 101 (1), 80 (2005).

111. A.V. Gets and V.P. Krainov. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 39, 1787 (2006).

112. A.V. Gets and V.P. Krainov. // Las. Phys., 17 (5), 604 (2007).

113. A.V. Gets and V.P. Krainov. // Las. Phys., 17 (6), 880 (2007).