Одно- и двухфотонные процессы на атомах, ионах и наночастицах в поле ультракоротких лазерных импульсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Сахно, Сергей Владимирович

  • Сахно, Сергей Владимирович
  • кандидат науккандидат наук
  • 2016, Долгопрудный
  • Специальность ВАК РФ01.04.21
  • Количество страниц 125
Сахно, Сергей Владимирович. Одно- и двухфотонные процессы на атомах, ионах и наночастицах в поле ультракоротких лазерных импульсов: дис. кандидат наук: 01.04.21 - Лазерная физика. Долгопрудный. 2016. 125 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Сахно, Сергей Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОДНОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛЕ УКИ

1.1 Однофотонная ионизация фуллеренов

1.2 Фотопоглощение на 1п203

1.3 Возбуждение многозарядных ионов в плазме УКИ

1.4 Вероятность поглощения УКИ металлическим кластером

1.5 Выводы

ГЛАВА 2. ДВУХФОТОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМОВ

2.1 Двухфотонное возбуждение атома водорода в дискретном спектре

2.2 Двухфотонное возбуждение атома щелочного металла в дискретном спектре

2.3 Двухфотонное поглощение УКИ на отрицательных ионах

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. ЛИНЕЙНОЕ И НЕЛИНЕЙНОЕ РАССЕЯНИЕ УКИ НА РАЗЛИЧНЫХ МИШЕНЯХ

3.1 Рассеяние на свободном электроне

3.2 Рассеяние на металлических кластерах

3.3 Линейное рассеяние на двухуровневой системе

3.4 Нелинейное рассеяние на двухуровневой системе

3.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Лазерная физика», 01.04.21 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Одно- и двухфотонные процессы на атомах, ионах и наночастицах в поле ультракоротких лазерных импульсов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень проработанности темы диссертации

Современные технологии достигли возможности генерации электромагнитных импульсов фемтосекундной длительности и уже имеются сведения о получении импульсов длительностью в десятки аттосекунд [1].

В оптическом диапазоне, как правило, используются лазерные методы генерации ультракоротких импульсов (УКИ). Например, метод когерентной суперпозиции синхронизированных импульсов различных длительностей и несущих частот позволяет генерировать импульсы фемтосекундной длительности [2]. Методы генерации гармоник больших порядков нашли широкое применение в формировании импульсов с аттосекундной длительностью [3].

В этой связи особую актуальность приобретает изучение взаимодействия УКИ с различными физическими объектами: атомами, ионами, кластерами, наночастицами. Развитие соответствующей теории создает необходимую физико-математическую базу для практического использования УКИ в различных областях техники и биомедицины. Например, предлагается использовать УКИ для создания сверхскоростных оптических линий передачи данных, малоинвазивных способов проведения хирургических операций, адресной доставки лекарств, создания сенсоров и т.д. [4, 5, 6, 7].

Описание процессов, происходящих при взаимодействии УКИ с конкретным физическим объектом, имеет свои характерные особенности и требует развития соответствующего математического аппарата, позволяющего качественно и количественно осуществить подобные оценки. Например, в работе [8], было показано, что при рассмотрении УКИ понятие вероятности фотопроцесса в единицу времени является, в общем случае, некорректным и в ультракоротком приближении необходимо исходить из вероятности

фотопроцесса за все время действия импульса. В рамках теории возмущений в [8] было получено соответствующее выражение для вероятности фотопроцесса за все время действия импульса, если известен фурье-образ УКИ и сечение рассматриваемого фотопроцесса.

В данной работе ключевой характеристикой электромагнитного импульса является его длительность, которая должна отвечать требованию ультракороткости. Приведем основные трактовки данного понятия:

1) Предельно короткие импульсы, которые в принципе достижимы на сегодняшний день. На практике уже получают электромагнитные лазерные импульсы длительностью в десятки аттосекунд [1]. Данная трактовка не имеет связи с физическими параметрами мишени, с которой происходит электромагнитное взаимодействие.

2) Электромагнитный импульс, длительность которого сопоставима с его периодом на несущей частоте. Очевидно, что данная трактовка опирается на характеристики самого импульса и никак не учитывает свойства мишени, с которой он взаимодействует, то есть если речь идет о терагерцовом диапазоне, то под УКИ в подобной трактовке следует понимать импульсы длительностью в несколько пикосекунд, для пентагерцового - импульсы фемтосекундной длительности и т.д.

3) Понятие УКИ связано с шириной спектра возбуждаемой системы Аю0. В данном случае говорят, что импульс длительности т ультракороткий, если его спектр сопоставим по ширине или шире спектра возбуждаемой мишени, т.е.:

Аю > Аюп

где Аю - ширина спектра импульса, которая связана с длительностью импульса т соотношением:

Аю > 1/т,

где т, в общем случае, больше либо равно времени когерентности импульса.

В данной работе под УКИ будем понимать импульсы, удовлетворяющие третьей формулировке.

В предыдущих работах рассматривались однофотонные процессы в поле УКИ. Например, в работах [9, 10, 11] аналитически был исследован процесс фотоионизации ридберговских состояний и основного состояния атома водорода под действием УКИ различной формы. В работе [12] изучался процесс фотовозбуждения атома гелия УКИ скорректированным гауссовым импульсом в спектральном диапазоне, отвечающем резонансу Фано. В работе [13] рассматривалась фотоионизация атомов благородных металлов УКИ. Процессы рассеяния УКИ на металлических наночастицах в диэлектрической среде рассмотрены в [14], получены спектрально-угловые зависимости данного процесса.

В статье [15] рассматривались зависимости полной вероятности возбуждения ДС ультракороткими импульсами различной формы в рамках применимости теории возмущений. Были получены зависимости полной вероятности фотопроцесса от длительности УКИ при различных частотных отстройках несущих частот УКИ от собственной частоты двухуровневой системы. В работе [16] был проведен анализ зависимости возбуждения двухуровневой системы под действием УКИ гауссовой формы от фазы несущей по отношению к огибающей.

Однако к настоящему моменту не были рассмотрены однофотонные процессы в поле УКИ на таких практически значимых объектах, как фуллерены, полупроводниковые наночастицы, многозарядные ионы и металлические кластеры. Актуален также процесс изучения двухфотонных процессов, в частности, на таких мишенях, как атомы водорода и щелочных металлов, а также отрицательных ионах.

Также не был рассмотрен простейший случай рассеяния УКИ: на свободном электроне, когда, как это показано в настоящей работе, можно получить простые аналитические выражения для вероятности процесса.

Кроме того, рассеяние УКИ на другом важном квантовом объекте - ДС -еще не был исследован достаточно полно. В частности, не было проведено исследование рассеяния УКИ на ДС в нелинейном режиме.

Актуальность рассмотрения данных задач требует разработки соответствующего теоретического задела по ним, что и является предметом исследований в данной работе.

Цель диссертационной работы

Исследование одно- и двухфотонных процессов в поле ультракоротких лазерных импульсов на фуллеренах, полупроводниковой наночастице, многозарядных ионах, металлических кластерах, атомах водорода и щелочных металлов, отрицательных ионах, а также линейного и нелинейного рассеяния лазерных импульсов на двухуровневой системе, свободном электроне и металлических кластерах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие

задачи

- рассчитана и проанализирована полная вероятность фотоионизации фуллеренов под действием УКИ.

- исследована вероятность фотопоглощения УКИ различной формы полупроводниковой наночастицей.

- получены зависимости фотопоглощения УКИ металлическими кластерами как функции длительности импульса при различных несущих частотах излучения.

- проведен численный анализ полной и спектральной вероятности фотовозбуждения многозарядных водородоподобных ионов в плазме под действием УКИ.

- исследованы двухфотонные процессы в поле УКИ: возбуждение атомов водорода и щелочного металла в дискретном спектре, а также фоторазрушение иона галогена.

- изучен процесс линейного (на свободном электроне, металлическом кластере и ДС) и нелинейного рассеяния (на ДС) УКИ различной формы.

Научная новизна

- впервые исследована зависимость полной вероятности фотоионизации фуллеренов С60 и С240 от длительности УКИ скорректированной гауссовской формы и получен спектр фотоэлектронов.

- впервые проведен расчет зависимости вероятности фотопоглощения УКИ скорректированной гауссовской формы на полупроводниковой наночастице In2Oз.

- впервые рассчитана и проанализирована вероятность возбуждения многозарядных водородоподобных ионов в плазме на переходах ^ пр} под

действием УКИ с гауссовской огибающей атто- и фемтосекундного диапазона длительностей с учетом тонкого расщепления верхнего энергетического уровня.

- впервые получены зависимости фотопоглощения УКИ скорректированной гауссовской формы от длительности импульса и спектральные зависимости металлическими кластерами на примере кластера ^8.

- впервые исследованы двухфотонные процессы в поле УКИ: возбуждение в дискретном спектре атомов водорода и щелочного металла, а также фоторазрушение иона галогена (отрицательного иона фтора).

- впервые исследован процесс линейного (на свободном электроне, металлическом кластере и ДС) и нелинейного рассеяния (на ДС) УКИ различной формы.

Теоретическая и практическая значимость

Результаты диссертации существенно дополняют и развивают теорию взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с веществом. Так, на основании проведенных расчетов установлены характеристические черты однофотонного поглощения УКИ на ранее не рассматривавшихся мишенях (фуллеренах, многозарядных ионах, полупроводниковых наночастицах, металлических кластерах), получено аналитическое выражение для полной вероятности рассеяния УКИ на свободном электроне в нерелятивистской области, дан численный анализ нелинейного рассеяния УКИ на двухуровневой системе.

Важным теоретическим вкладом является исследование двухфотонных процессов в поле УКИ: поглощения излучения атомами в дискретном спектре и фоторазрушения отрицательных ионов.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для развития новых методов диагностики высокотемпературной плазмы, двухфотонной и субфемтосекундной спектроскопии, в лазерной физике, нанофотонике и плазмонике для разработки нового поколения высокочувствительных оптических сенсоров и быстродействующих оптоэлектронных устройств, использующих полупроводниковые наночастицы и металлические кластеры, возбуждаемые УКИ.

Методология и методы исследования

Методология и методы исследования в данной работе выбираются в соответствии со спецификой решаемой задачи.

Расчёт вероятности однофотонных процессов в поле УКИ выполняется с помощью аналитического выражения, полученного в работе [8]. При рассмотрении взаимодействия УКИ с металлическими кластерами используется резонансное приближение для динамической поляризуемости.

Описание двухфотонных процессов основывается на квантово-механическом подходе. Процессы рассеяния ультракороткого лазерного импульса рассмотрены в рамках классической электродинамики.

При рассмотрении рассеяния УКИ на двухуровневой системе используется формализм вектора Блоха.

Положения, выносимые на защиту

1. Зависимость вероятности фотоионизации фуллеренов С60 и С240 от длительности УКИ для различных отстроек несущей частоты импульса от центральной частоты плазмонного резонанса в фуллерене.

2. Аналитическая теория возбуждения связанно-связанного перехода ^ пр} в

многозарядных водородоподобных ионах в плазме под действием УКИ с гауссовской огибающей для доплеровской формы линии перехода.

3. Спектральные и временные характеристики двухфотонного возбуждения в дискретном спектре атомов водорода и щелочных металлов под действием УКИ.

4. Аналитические выражения для полной вероятности рассеяния различных типов УКИ на свободном электроне.

5. Формула для вероятности линейного рассеяния УКИ на двухуровневой системе за все время действия импульса в пренебрежении релаксационными процессами.

6. Вероятность рассеяния СГИ на металлическом кластере за все время действия импульса как функция длительности импульса и добротности плазмонного резонанса.

Степень достоверности и апробация результатов

Основные результаты диссертации доложены на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Сахно С.В. «Поглощение ультракоротких импульсов фуллеренами С60 и С240», XII Всероссийская молодежная конференция-конкурс по оптике и лазерной физике, г. Самара, 12-16 ноября 2014г., устный доклад. Диплом «За интересную работу».

2. Астапенко В.А, Трахтенберг Л.И., Сахно С.В. «Исследование сечения рассеяния электронов на полупроводниковых и металлических наночастицах», 57-я научная конференция МФТИ с международным участием; Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики», г. Москва, 24-29 ноября 2014г., устный доклад. Доклад победил в конкурсе научных работ молодых ученых.

3. Сахно С.В. «Взаимодействие ультракоротких электромагнитных импульсов с нанообъектами», Всероссийская научно-практическая конференция «Математика, информатика, естествознание в экономике и в обществе - МИЕСЭКО-2015», г. Москва, 30 января 2015г., стендовый доклад.

4. Сахно С.В. «Фотоионизация фуллеренов ультракороткими электромагнитными импульсами», XIX Международная научная конференция молодых ученых и специалистов к 100-летию Ф.Л. Шапиро, г. Дубна (Объединенный институт ядерных исследований), 16-20 февраля 2015 г., устный доклад.

5. Astapenko V.A., Sakhno S.V. «Nonlinear scattering of ultrashort laser pulses on two-level system», SPIE European Conference on Optics and Optoelectronic, г. Прага (Чешская Республика), 13-16 апреля 2015 г., устный доклад.

6. Астапенко В.А., Сахно С.В. «Рассеяние ультракоротких электромагнитных импульсов на свободном электроне в нерелятивистском пределе», 58-я научная конференция МФТИ, г. Долгопрудный, 23-28 ноября 2015 г., устный доклад. Работа победила в конкурсе научных работ молодых ученых.

7. Astapenko V.A., Sakhno S.V. «Two-photon excitation of hydrogen atom by sub-femtoseconds electromagnetic pulses», 4-th International conference on photonics, optics and laser technology «Photoptics-2016», г. Рим (Италия), 26-29 февраля 2016 г., стендовый доклад.

8. Astapenko V.A., Sakhno S.V., Svita S. Yu., Lisitsa V.S. 23rd International Conference on Spectral Line Shapes «Excitation of atoms and ions in plasmas by ultrashort electromagnetic pulses», г. Торунь (Польша), 19-24 июня 2016, устный доклад.

9. Astapenko V.A., Sakhno S.V., Bergaliyev T.K. «Absorption of ultrashort electromagnetic pulses of different shapes by metal clusters», International conference on many particle spectroscopy of atoms, molecules, clusters and surfaces «MPS 2016», г. Москва, 23-26 августа 2016 г., стендовый доклад.

Работа по теме диссертационного исследования выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ в рамках Госзаказа (НИР №1940).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в рецензируемых ВАК научных изданиях, а также журналах, входящих в базу данных Web of Science и Scopus:

1. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Nonlinear scattering of ultrashort laser pulses on two-level system // Proc. SPIE 9503, Nonlinear Optics and Applications IX, 2015, 95030P.

2. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Two-photon excitation of atoms by ultrashort electromagnetic pulses in a discrete spectrum. // Journal of Modern Optics, 2015, V. XX. № X, pp. 1-5.

3. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Photoionization of the C60 and C240 fullerenes by ultrashort electromagnetic pulses // Russian Journal of Physical Chemistry B, 2016, V. 10, Issue 2, pp. 215-218. (Фотоионизация фуллеренов С60 и С240 ультракороткими электромагнитными импульсами // Химическая физика. 2016. № 3).

4. Astapenko V.A., Sakhno S.V., Lisitsa V. S. Excitation of highly charged ions in plasma by ultrashort electromagnetic pulses. // Contrib. Plasma Phys., 2016, DOI: 10.1002/ctpp.201600018.

5. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Non-linear excitation of atoms by ultrashort electromagnetic pulses. // Proc. SPIE 9894, Nonlinear Optics and its Applications IV, 2016, 98941D.

6. Sakhno S.V. , Kozhusner M.A., Posvyanskii V.S., Trakhtenberg L.I. Photoabsorption by the electronic subsystem of semiconductor quantum dots // Journal of Nanophotonics, 2016, 10(2), 026018.

7. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Two-photon absorption of ultrashort electromagnetic pulses by negative halogen ions // Journal of Modern Optics, 2016, DOI: 10.1080/09500340.2016.1187309.

8. Trakhtenberg L.I., Astapenko V.A., Sakhno S.V., Kozhushner M.A., Posvyanskii V.S., Ilegbusi O.J. Absorption of Infrared Radiation by Electronic Subsystem of Semiconductor Nanoparticle: Principles of Calculation // The Journal of Physical Chemistry Part C, 2016, DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b08167 (в печати).

9. Астапенко В.А., Сахно С.В., Бергалиев Т.К. Возбуждение плазмонных резонансов в металлических кластерах ультракороткими электромагнитными импульсами // Труды МФТИ, 2016, Т. 8, № 2, стр. 8-13.

10. Астапенко В.А., Сахно С.В. Рассеяние ультракоротких электромагнитных импульсов на металлических кластерах // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 2016, Т. 150, Вып. 4.

11. Астапенко В.А., Сахно С.В., Кожушнер М.А., Посвянский В.С., Трахтенберг Л.И. Фотопоглощение электронной подсистемой полупроводниковой наночастицы. // Оптика и спектроскопия, 2016, Т. 121, № 5, стр. 734-741.

Прочие публикации:

12. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Scattering of ultrashort electromagnetic pulses by a free electron in the nonrelativistic limit // International Review of Atomic and Molecular Physics (IRAMP), 2014, Issue 5 (2), pp.83-89.

13. Astapenko V.A., Sakhno S.V., Bergaliyev T.K., Absorption of ultrashort electromagnetic pulses by metal clusters // International Review of Atomic and Molecular Physics (IRAMP), 2015, Issue 6 (1), pp. 1-6.

14. Astapenko V.A., Sakhno S.V., Scattering of ultrashort electromagnetic pulses on two-level system // International Review of Atomic and Molecular Physics (IRAMP), 2016 (в печати).

15. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Two-photon Excitation of Hydrogen Atom by Sub-Femtoseconds Electromagnetic Pulses. // Proceedings of the 4th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, 2016, pp. 51-54.

Личный вклад автора

Все основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Были проведены численные расчеты, проанализированы результаты, а также дана физическая интерпретация полученных данных.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. В конце диссертации приведены список сокращений и условных обозначений, а также список литературы. Общий объем диссертации составляет 125 стр.

Благодарности

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, доктору физ.-мат. наук Астапенко Валерию Александровичу за ответственность и скурпулезность, проявленные в ходе совместной научной дискуссии, а также за огромное терпение и тактичность, по моему мнению, положительно характеризующие ученого, как научного руководителя.

Отдельную благодарность хотелось бы выразить моему научному консультанту - академику РАН, профессору, доктору физ.-мат. наук Бугаеву Александру Степановичу за внесение ряда ценных советов и предложений, которые были учтены автором при написании диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ОДНОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В

ПОЛЕ УКИ

1.1 Однофотонная ионизация фуллеренов

В данном параграфе исследуется процесс фотоионизации фуллеренов С60 и С240 ультракороткими электромагнитными импульсами субфемтосекундной длительности: рассчитаны и проанализированы вероятность процесса за все время действия импульса как функция длительности импульса при различных несущих частотах, а также рассчитан спектр фотоэлектронов, испускаемых при ионизации фуллерена скорректированным гауссовым импульсом.

Фуллерены, сферические полые кластеры из атомов углерода [17], с момента их открытия в конце 20 века и по настоящее время являются объектом пристальных теоретических и экспериментальных исследований. Интерес к данным объектам объясняется потенциально большими возможностями их практического применения в различных отраслях науки и техники. Перспективно исследование взаимодействия электромагнитного излучения с фуллеренами: процессы фотоионизации, возбуждение в фуллеренах плазмонных резонансов. Полагается, что данные явления могут сыграть ключевую роль в дальнейшем развитии высокоскоростных телекоммуникационных технологий, медицине и некоторых других областях науки и техники [18, 19, 20].

В статье [21] в рамках формализма зависящего от времени функционала плотности рассчитывался процесс фотоионизации нейтрального фуллерена С60. Результаты данного расчета, помимо известного, низкочастотного плазмонного резонанса, показали наличие второго коллективного резонанса при более высоких энергиях, наличие которого было подтверждено экспериментально в работе [22].

В ряде работ было рассмотрено взаимодействие фуллеренов с короткими лазерными импульсами. Так, в статье [23] теоретически исследовалась фотофрагментация фуллеренов С60 под действием импульсов с длительностями в несколько десятков фемтосекунд, энергия фотона составляла 2.0 и 2.7 эВ. В экспериментальной работе [24] было исследовано взаимодействие ультракоротких инфракрасных импульсов с этим же фуллереном в многофотонном режиме, а также были получены спектры фотоэлектронов в зависимости от длительности импульса и мощности излучения.

Особенности ионизации атомов благородных газов ультракороткими электромагнитными импульсами исследовались в статье [13]. Было, в частности, показано, что зависимость полной вероятности ионизации атомов ксенона и криптона от длительности ультракороткого импульса т носит нелинейный характер в аттосекундном диапазоне (т < 100 ас).

В данном параграфе приводится расчет вероятности фотоионизации фуллеренов С60 и С240 под действием ультракоротких электромагнитных импульсов (УКИ) субфемтосекундной длительности за все время действия импульса. Подобный подход позволяет сформулировать количественные критерии для описания вероятности данного фотопроцесса. Также были получены спектральные зависимости дифференциальной вероятности испускания фотоэлектронов для вышеуказанных фуллеренов.

При рассмотрении взаимодействия относительно длинного электромагнитного импульса с веществом в рамках применимости теории возмущений используется понятие вероятности фотопроцесса в единицу времени w, которая описывается следующим выражением [8]:

w = \а(а) ^ d® (1.1.1)

где а(о) - сечение фотопроцесса, I(а>) - спектральная интенсивность излучения.

Отметим, что с(ю) соответствует действию монохроматического излучения определенной частоты ю, интегрирование в выражении (1.1.1) учитывает немонохроматичность реального излучения.

При рассмотрении ультракоротких импульсов, состоящих из малого количества периодов излучения на несущей частоте, или даже части периода, понятие фотопоглощения в единицу времени теряет смысл. Это связано с усреднением по времени X спектральной интенсивности излучения I(а>), входящей в выражение (1.1.1). Характерные значения этого времени существенно длиннее периода излучения Т на частоте ю = 2л/Т; X >> Т.

Таким образом, при рассмотрении фотопроцессов в поле УКИ применение формулы (1.1.1) не является корректным. В этом случае для описания фотопоглощения вводится вероятность процесса за все время действия ультракороткого импульса Жш [8];

I |2

^ = (2^ ) ^ (1Л.2)

где стрк(а') - сечение фотопоглощения, Е(^) - фурье-образ УКИ, с - скорость света в вакууме.

Аналогично записывается выражение для полной вероятности фотоионизации:

^ =7^7 с (-' (1.1.3)

где 1гк - потенциал фотоионизации.

В рамках применимости теории возмущений на выражения (1.1.2) и (1.1.3) накладывается очевидное ограничение:

^, Wl < 1

Форма импульса напряженности электрического поля в расчетах описывается скорректированным гауссовым импульсом (СГИ) [25];

Ecorr (t) = Re

- iE 0<

1 +

it

0)T

+ -

(T

1 +

(CT)2

exp

A-t 2Л

2T

exp(ict + ip)

(1.14)

От традиционного гауссова импульса СГИ отличается наличием множителя в фигурных скобках в выражении (1.1.4). Фурье-образ СГИ равен:

Ecor = iE0T

л C ^21+c

2 2 CO T

2 2 + ct

exp(- ip — (c — C ) —) — exp(ip —(c + C ) —)

(1.1.5)

где & - текущая частота, а ю - несущая частота излучения. Нетрудно проверить выполнение условия: £сог(&= 0) = 0, что соответствует отсутствию постоянной составляющей в СГИ, которая приводит к нефизическим результатам в пределе малой длительности импульса.

Квадрат модуля Фурье-образа СГИ имеет вид:

Кг (C )|2 = E

2 2 Л 2T —

oT 2

„'2-2 CO T

1 + cV

(1.1.6)

• [exp (—(c — c)22 t 2) + exp (—(c + c)2 t 2)] {l — sec h(2cc t 2) cos(2p)}

Значение фазы излучения ф не влияет на результаты вычислений, т.к. гиперболический секанс sech(2cCt2) при аргументах больших единицы, стремится к нулю, что заведомо выполняется в условиях решаемой задачи. Поэтому вторым слагаемым в фигурных скобках в правой части равенства (1.1.6) можно пренебречь.

Вычисления проведены для амплитуды напряженности электрического поля в импульсе E0 = 0.001 ат. ед. В расчетах были использованы зависимости сечения фотоионизации aph (c) от частоты внешнего излучения для фуллеренов

С60 и С240, которые были приведены в работе [19]. Следует отметить, что характер зависимости для С240 подобен С60: наблюдаются два ярко выраженных плазмонных резонанса. Основные параметры плазмонов приведены в Таблице 1.

2

1

1

2

2

2

Таблица1

Параметры плазмонов фуллеренов Сбо и С240

Возбуждаемый плазмон Центральная частота эВ Ширина, эВ (на полувысоте)

С60 Низкочастотный 16.0 2.97

Высокочастотный 37.5 8.83

С240 Низкочастотный 12.0 1.10

Высокочастотный 34.0 9.59

В случае длинных импульсов (ют >> 1) выражение (1.1.3) преобразуется к следующему виду:

№ _с е;Г (1.1.7)

8л/ ж па

Таким образом, вероятность фотоионизации прямо пропорциональна длительности воздействующего импульса. Очевидно, что (1.1.7) имеет смысл при W < 1, что накладывает ограничение на амплитуду Е0 и длительность импульса т.

Введем выраженную в процентах частотную отстройку 5 несущей частоты ю УКИ от центральной частоты плазмонного резонанса юс:

¿ = ^^100% (1.1.8)

а

На рис. 1.1.1 приведены зависимости полной вероятности фотоионизации фуллерена Сб0 в области низкочастотного плазмона в зависимости от длительности УКИ при различных частотных отстройках 5 (1.1.8).

0.04

т, фс

Рисунок 1.1.1. Полная вероятность фотоионизации фуллерена С6о в области низкочастотного плазмона 16.0 эВ: сплошная кривая 5 = 5%; точечная кривая 5 = 15%; штриховая кривая 5 = 30%. Штрихпунктирная кривая - линейный режим

фотоионизации, 5 = 5%.

Из рис. 1.1.1. следует, что при т < 0.2 фс зависимости имеют нелинейный характер и практически совпадают для различных частотных отстроек 5. При т > 0.2 фс зависимости выходят на линейный режим, описываемый выражением (1.1.7), и имеют существенное расхождение между собой. Для отстройки 5 = 5% (сплошная кривая) приведен соответствующий линейный режим, к которому асимптотически стремится данная зависимость (штрихпунктирная линия).

Характер зависимостей полной вероятности фотоионизации фуллерена С60 для несущих частот в области высокочастотного плазмона качественно соответствует случаю низкочастотного плазмона, однако, характерные нелинейности наблюдаются при более малых временах: т < 0.1 фс. При увеличении длительности УКИ зависимости выходят на линейный режим.

0_Эг-1-

02 0.4 0.6 0.3

т, фс

Рисунок 1.1.2. Полная вероятность фотоионизации фуллерена С240 в области

низкочастотного плазмона 12.0 эВ как функция длительности УКИ для различных несущих частот: сплошная кривая - 5 = 5%; точечная кривая - 5 = 15%; штриховая кривая- 5 = 20%. Штрихпунктирная кривая - линейный режим

фотоионизации, 5 = 20%.

На рис. 1.1.2 показаны зависимости полной вероятности фотоионизации от длительности импульса для фуллерена С240. Как следует из приведенных графиков, полученные зависимости аналогичны результатам, полученным для фуллерена С60. Заметим, что для данных зависимостей характерен более выраженный максимум, возникающий при увеличении параметра частотной отстройки 5, который с ростом этого параметра смещается в область более коротких времен. К примеру, в области низкочастотного плазмона фуллерена С240 при 5 = 15% (точечная кривая) максимум соответствует т ~ 0.45 фс, а при 5 = 20% (штриховая кривая) т ~ 0.35 фс.

Похожие диссертационные работы по специальности «Лазерная физика», 01.04.21 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сахно, Сергей Владимирович, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Zhao K., Zhang Q., Chini M., Wu Y., Wang X., Chang Z. Tailoring a 67 attosecond pulse through advantageous phase-mismatch // Optics Lett., Vol. 37, No. 3891, 2012. pp. 3891-3893.

2. Krauss G., Lohss S., Hanke T., Sell A., Eggert S., Huber R., Leitenstorfer A. Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology // Nature Photonics, Vol. 4, 2010. pp. 33-36.

3. Altucci C., Tisch J.W.G., Velotta R. Single attosecond light pulses from multicycle laser sources // Rev. Mod. Phys, Vol. 58, 2011. pp. 1585-1610.

4. Keeler G., Nelson B., Agarwal D., Debaes C., Helman N., Bhatnagar A., Miller D. The Benefits of Ultrashort Optical Pulses in Optically Interconnected Systems // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 9, No. 2, 2003.

5. Braun M., Gilch P., Zinth W. Ultrashort Laser Pulses in Biology and Medicine. Berlinv Heidelberg: Springer Verlag, 2008.

6. Mitsuhashi T., Terakawa M. Evaluation of parameters influencing the molecular delivery by biodegradable microsphere-mediated perforation using femtosecond laser // J Biomed Opt, Vol. 19, No. 1, Jan 2014.

7. Lamb R. A Review of Ultra-short Pulse Lasers for Military Remote Sensing and Rangefinding // Proceedings of SPIE, No. 7483, 2009.

8. Astapenko V.A. Simple formula for photoprocesses in ultrashort electromagnetic field // Physics Letters A, No. 374, 2010. pp. 1585-1590.

9. Astapenko V.A., Lisitsa V.S. On the Theory of Hydrogen Atom Ionization by Ultra-Short Electromagnetic Pulses // Contrib. Plasma Phys., Vol. 55, No. 7, 2015. pp. 522-528.

10. Svita S.Y., Astapenko V.A. Photoionization of Rydberg States by Ultrashort Wavelet // Journal of Physics: Conference Series, Vol. 643, 2015. P. 012070.

11. Rosmej F.B., Astapenko V.A., Lisitsa V.S. Generalized scaling laws for ionization of atomic states by ultra-short electromagnetic pulses // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 49, No. 2, 2015.

12. Rosmej F.B., Astapenko V.A., Lisitsa V.S. Effects of ultrashort laser-pulse durations on Fano resonances in atomic spectra // Phys. Rev. A, Vol. 90, 2014. P. 043421.

13. Astapenko V.A., Svita S.Y. Photoionization of noble-gas atoms by ultrashort electromagnetic pulses // Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 119, No. 5, 2014. pp. 811-816.

14. Astapenko V.A., Svita S.Y. Scattering of electromagnetic pulses on metallic nanospheres with the inclusion of plasmon interference effects // Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 121, No. 3, 2015.

15. Astapenko V.A., Bagan V.A. Features of excitation of two-level system by short nonresonance laser pulses // Journal of Physical Science and Application, Vol. 3, No. 4, 2013. pp. 269-277.

16. Arustamyan M.G., Astapenko V.A. Phase control of oscillator excitation under the action of ultra-short laser pulses // Laser Physics, Vol. 18, 2008. P. 1031.

17. Сысун В.И. Фуллерены. Синтез, методы получения. Петрозаводск: Плазма, 2002.

18. Lalwani G., Sitharaman B. Multifunctional fullerene-and metallofullerene-based nanobiomaterials // Nano LIFE, Vol. 3, No. 3, 2013. P. 1342003.

19. McCune M., De R., Madjet M., Chakraborty H., Manson S. Plasmon-plasmon

coupling in nested fullerenes: photoexcitation of interlayer plasmonic cross modes // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 44, No. 24, 2011.

20. Bakry R., Vallant R., Najam-ul-Haq M., Rainer M., Szabo Z., Huck C., Bonn G. Medicinal applications of fullerenes // Int J Nanomedicine, Vol. 2, No. 4, 2007. pp. 639-649.

21. Madjet M., Chakraborty H., Rost J., Manson S. Photoionization of C60: a model study // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 41, No. 10, 2008.

22. Scully S., Emmons E., Gharaibeh M., Phaneuf R., Kilcoyne A., Schlachter A., Schippers S. Photoexcitation of a Volume Plasmon in C60 Ions // Phys. Rev. Lett, Vol. 94, 2005. P. 065503.

23. Torralva B., Niehaus T., Elstner M., Suhai S., Frauenheim T., Allen R. Response of C60 and Cn to ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B, Vol. 64, 2001. P. 153105.

24. Campbell E., Hansen K., Heden M., Kjellberga M., Bulgakov A. Ionisation of fullerenes and fullerene clusters using ultrashort laser pulses // Photochemical & Photobiological Sciences, Vol. 5, 2006. P. 1185.

25. Lin Q., Zheng J., Becker W. Subcycle Pulsed Focused Vector Beams // Phys. Rev. Lett, Vol. 97, 2006. P. 253902.

26. Sakhno S.V., Kozhusner M.A., Posvyanskii V.S., Trakhtenberg L.I. Photoabsorption by the electronic subsystem of semiconductor quantum dots // Journal of Nanophotonics, Vol. 10, No. 2, 2016. P. 026018.

27. Кожушнер М.А., Посвянский В.С., Трахтенберг Л.И. Электронная структура полупроводниковых и металлических наночастиц // Российские нанотехнологии, Т. 9, № 5/6, 2014. С. 105-110.

28. Brandt W., Lundqvist S. Atomic Oscillations in the Statistical Approximation // Phys. Rev., Vol. 139, 1965. P. A612.

29. Hassan M., Wirth A., I G., Moulet A., Luu T., Gaqnon J., Pervak V., Goulielmakis E. Attosecond photonics: synthesis and control of light transients // Rev Sci Instrum, Vol. 83, No. 11, 2012. P. 111301.

30. McNeil B., Thompson N. X-ray free-electron lasers // Nature Photonics, Vol. 4, 2010. pp. 814-821.

31. Tanaka T. Proposal to Generate an Isolated Monocycle X-Ray Pulse by Counteracting the Slippage Effect in Free-Electron Lasers // Phys. Rev. Lett, Vol. 114, 2015. P. 044801.

32. Gets A.V., Krainov V.P. Ionization of Atoms by Attosecond Pulses // Contributions to Plasma Physics, Vol. 53, No. 2, 2013. pp. 140-147.

33. Bordyug N.V., Krainov V.P. Dynamics of two-level systems irradiated by sub-one-cycle laser pulses // Laser Phys. Lett, Vol. 4, 2007. P. 674.

34. Astapenko V.A., Romadanovskii M.S. Excitation of a two-level system by chirped laser pulse // Laser Physics, Vol. 19, No. 969, 2009.

35. Gervids V.I., Zhdanov V.P., Kogan V.I., et al. Reviews of Plasma Physics / Ed. by Leontovich M.A., Kadomtsev B.B. Moscow: Atomizdat, 1982.

36. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. Физматлит, 2006. 720 pp.

37. Astapenko V.A., Svita S.Y. Time Dependence of Energy Absorption of Short Electromagnetic Pulses on An Inhomogeneously Broadened Radiative Transitio // Russian Physics Journal, Vol. 57, No. 11, 2015. pp. 1503-1510.

38. de Heer W.A. The physics of simple metal clusters: experimental aspects and

simple models // Rev. Mod. Phys., Vol. 65, No. 611, 1993.

39. Brack M. The physics of simple metal clusters: self-consistent jellium model and semiclassical approaches. // Rev. Mod. Phys., Vol. 65, No. 677, 1993.

40. Gets A.V., Krainov V.P. The ionization potentials of atomic ions in laser-irradiated Ar, Kr and Xe clusters // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 39, 2006. pp. 1787-1785.

41. Astapenko V.A., Svita S.Y. Absorption of ultrashort electromagnetic pulses by metal nanospheres in a dielectric medium // Journal of Modern Optics, Vol. 62, No. 3, 2015.

42. Korol A.V., Solov'yov A.V. Polarization Bremsstrahlung. Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer Verlag, 2014. 216 pp.

43. Kreibig U., Vollmer M. Optical Properties of Metal Clusters. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1995.

44. Yannouleas C., Broglia R.A. Collective and single-particle aspects in the optical response of metal microclusters // Phys. Rev. A, 1991. pp. 5793-5802.

45. Apolonski A., Dombi P., Paulus G.G., Kakehata M., Holzwarth R., Udem T., Lemell C., Burgdoerfer J., Torizuka K., Haensch T.W., Krausz F. Observation of Light-Phase-Sensitive Photoemission from a Metal // Phys. Rev. Lett, Vol. 92, 2004. P. 073902.

46. Arustamyan M.G., Astapenko V.A. Phase control of the excitation of a two-level system with short laser pulses // Laser Physics, Vol. 18, No. 6, 2008. pp. 768773.

47. Matveev V.I., Matrasulov D.U. Reemission spectra and interference effects at the interaction of multiatomic targets with ultrashort electromagnetic pulses // JETP

Letters, Vol. 96, No. 10, 2013. pp. 628-632.

48. Eseev M.K., Matveev V.I., Yulkova V.M. Ultrashort pulse rescattering on atomic and molecular anions in the zero radius potential model // Optics and Spectroscopy, Vol. 111: 330, 2011.

49. Makarov D.N., Matveev V.I. Processes of ionization of atoms in nonstationary states by the field of an attosecond pulse // JETP Letters, Vol. 101, No. 3, 2015. pp. 154-159.

50. Bordyug N.V., Krainov V.P. Dynamic resonances in ultra-short laser pulses // Laser Physics Letters, Vol. 4, No. 6, 2007. pp. 418-420.

51. Rastunkov V.S., Krainov V.P. Phase dependence in the ionization of atoms by intense one-cycle laser pulses within the Landau-Dykhne approximation // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 40, No. 12, 2007. pp. 2277-2290.

52. Astapenko V.A. Scattering of an ultrashort electromagnetic radiation pulse by an atom in a broad spectral range // Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 112, No. 2, 2011. pp. 193-198.

53. Astapenko V.A., Svita S.Y. Scattering of electromagnetic pulses by metal nanospheres in the vicinity of a Fano-like resonance // Physics Letters A, Vol. 379, No. 18-19, 2015. pp. 1293-1296.

54. Rosmej F.B., Astapenko V.A., Lisitza V.S. Generalized scaling laws for ionization of atomic states by ultra-short electromagnetic pulses // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. , Vol. 49, 2016. P. 025602.

55. Golovinski P.A., Drobyshev A.A. Electron photodetachment by short laser pulse // Technical Physics Letters, Vol. 38, No. 3, 2012. pp. 272-275.

56. Astapenko V.A., Sakhno S.V. Two-photon absorption of ultrashort electromagnetic pulses by negative halogen ions // Journal of Modern Optics , 2016. pp. 1-5.

57. Golovinski P.A. Multiphoton detachment of negative halogen ions // Phys. Lett. A, Vol. 183, 1993. pp. 89-92.

58. Gribakin G.F., Ivanov V.K., Korol A.V., Kuchiev M.Y. Two-photon detachment of electrons from halogen negative ions // J. Phys. B, Vol. 32, 1999. pp. 54635478.

59. Radzig A.A., Smirnov B.M. Reference Data on Atoms, Molecules, and Ions. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag, 1985. 463 pp.

60. Kutzner M., Felton M., Winn D. Frequency-dependent polarizabilities of halide anions and H- // Phys. Rev. A, Vol. 45, 1992. pp. 7761-7765.

61. Landau L.D., Lifshits E. The Classical Theory of Fields. Moscow: Fizmatlit, 2003.

62. Амусья М.Я. Атомный фотоэффект. Москва: Наука, 1987. 272 pp.

63. Есеев М.К., Матвеев В.И., Юлкова В.М. Взаимодействие аттосекундного импульса с отрицательными атомарными и молекулярными ионами // Журнал технической физики, Vol. 82, No. 11, 2012. pp. 130-132.

64. Матвеев В.И., Матрасулов Д.У. Спектры переизлучения и эффекты интерференции при взаимодействии многоатомных мишеней с ультракороткими импульсами электромагнитного поля // Письма в ЖЭТФ, Vol. 96, No. 10, 2012. pp. 700-705.

65. Макаров Д.Н., Матвеев В.И. Эффекты интерференции при переизлучении ультракоротких импульсов электромагнитного поля многоатомными

системами // ЖЭТФ, Vol. 144, No. 5, 2013. P. 905.

66. Дыхне А.М., Юдин Г.Л. "Встряхивание" квантовой системы и характер стимулированных им переходов // УФН, Vol. 125, 1978. pp. 377-407.

67. Астапенко В.А. Рассеяние ультракороткого импульса электромагнитного излучения на атоме в широком спектральном диапазоне // ЖЭТФ, Vol. 139, No. 2, 2011. P. 228.

68. Astapenko V.A. Interaction of ultrafast electromagnetic pulses with matter. Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer Briefs in Physics, 2013. 94 pp.

69. Astapenko V.A., Bagan V.A. Excitation of a quantum system by high-power ultrashort pulses of various shapes // IRAMP, Vol. 3, No. 2, 2012.

70. Golovinski P.A., Mikhailov E.M. Scattering of ultrashort laser pulse by atomic systems // Laser Physics Letters, Vol. 3, 2006. pp. 259-262.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.