Динамика фемтосекундной лазерной плазмы и ее нелинейно-оптические характеристики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОГДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

С А ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

I ¡¿»о На правах рукописи

ВОЛКОВ Роман Валентинович

УДК 621.373.826

ДИНАМИКА ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ И ЕЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Международном лазерном центре МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

зав. лаб. В.М.ГОРДИЕНКО

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.В.Кравцов кандидат физико-математических наук, вед. н.с. А.Н.Жерихин Ведущая организация: Центр естественно-научных исследований

Института общей физики РАН

Защита диссертации состоится 1998 г. в часов на

заседании Диссертационного совета К.053.05.21 Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ул.Хохлова, 1, Корпус нелинейной оптики, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан "_

•М-. „

Ученый секретарь Диссертационного совета К.053.05.21, канд.физ.-мат. наук, доцент М.С.Полякова /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Создание мощных фемтосекундных лазерных систем, позволяющих получать при фокусировке сверхинтенсивное излучение (> 1015 Вт/см2) и, соответственно, дающих возможность исследовать поведение вещества в условиях сверхсильного светового поля (Е~109 В/см), радикально изменило ситуацию в • лазерной физике и нелинейной оптике и привело к появлению ряда новых направлений. Благодаря использованию принципа усиления чирпированного лазерного импульса (УЧИ) в лазерной физике стало возможным изучение процессов, происходящих уже при "релятивистских" интенсивностях (1>101а Вт/см2). Однако сохраняется огромный интерес к углублешгому исследованию физических явлений, происходящих при "умеренных" интенсивностях, соответствующих режиму сверхсильного светового поля.

Для работы в диапазоне "умеренных" интенсивностей 1015-1016 Вт/см2 могут эффективно применяться фемтосекундные лазерные системы на красителях с накачкой усилительных каскадов излучением пикосекундной длительности. Ограничения на уровень выходной энергии этих систем связаны со следующими физическими процессами, протекающими в усилителях на красителях. С одной стороны, красители обладая большим сечением усиления, имеют сравнительно короткое время жизни возбужденного состояния (-1 не). Это приводит к высокому уровню энергии усиленной спонтанной люминесценции (суперлюминесценции), которая ограничивает коэффициент усиления и снижает контраст фемтосекундных лазерных импульсов, что неприемлемо для большинства экспериментов. С другой стороны, особенность усилегом в усилителях на красителях связана с тем, что энергетическая схема молекулы красителя делает возможным поглощение из возбужденного состояния, что так же снижает КПД усилителей. Поэтому существует необходимость оптимизации усилителей на красителях с пикосекундной накачкой, особенно выходных каскадов, с учетом этих двух эффектов для достижения условий получения максимально возможных энергий и интенсивностей.

Если высококонтрастное фемтосекундное излучение источника сверхсильного поля сфокусировать на твердотельную мишень, то на ее поверхности при интенсивности больше 1015 Вт/см2 образуется тонкий

плазменный слой (~0Д мкм), не успевающий разлететься за время воздействия импульса. Этот слой обладает высокой электронной температурой (>100 эВ) и высокой степенью ионизации, большим градиентом электронной плотности, а сама плазма является сильно неравновесной. В тоже время, несмотря на высокую плотность, плазма близка к идеальной. Из-за большого градиента плотности она обладает высокой эффективной оптической нелинейностью.

Взаимодействие лазерного излучения с мишенью сопровождается распространением тепловой волны вглубь вещества мишени. Теплопроводность является основным механизмом, ограничивающим температуру и задающим толщину плазменного слоя. После окончания фемтосекундного импульса, на пикосекундном масштабе времени, параметры плазмы (температура, плотность и т.д.), в основном, определяются сверхзвуковым (-107 см/сек) разлетом в вакуум. Таким образом, параметры высокотемпературной фемтосекундной плазмы быстро изменяются как во время воздействия мощного лазерного излучения на мишень так и после. Причем, характеристики плазмы также изменяются и по площади плазменного пятна. Так как при проведении экспериментов с высокотемпературной фемтосекундной плазмой для достижения максимально возможной интенсивности применяется "жесткая" фокусировка, то параметры плазмы сильно изменяются на масштабе, который может составлять величину порядка десяти микрон. Если учесть, что такая плазма является мощным источником рентгеновского излучения, а потенциально и гамма излучения, то изучение эволюции ее характеристик с фемтосекундным временным и микронным пространственным разрешением является важной задачей. Такую возможность предоставляют только оптические методы диагностики. Особый интерес представляют эксперименты с использованием двухимпульсной методики (накачка - зондирование), позволяющие определять параметры плазмы с пространственным и временным разрешением как во время, так и после окончания зажигающего импульса.

При диаметре фокального пятна в несколько микрон длина перетяжки лазерного пучка составляет десятки микрон. Это требует точного способа контроля фокусировки излучения на поверхность мишени.

Помимо контроля за параметрами плазмы важно уметь управлять ими. Это возможно не только изменяя характеристики излучения, но и применяя мишени со специально приготовленной объемной или поверхностной структурой. Использование таких мишеней в экспериментах при илтенсивностях 1015-1016 Вт/см2 позволяет добиваться тех же параметров плазмы, которые достигаются в случае использования обычных мишеней, но при значительно больших илтенсивностях. Создание и применение мишеней с периодическим рельефом поверхности открывает возможность возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Возбуждение ПЭВ связано с повышением коэффициента поглощения, уменьшением зеркального отражения падающего излучения и увеличением эффективной нелинейности плазмы и соответственно с возрастанием преобразования во вторую и более высокие гармоники, генерируемые на отражение.

Целью диссертационной работы явилось:

1. Оптимизация режима усиления выходного каскада усилителя на красителях с пикосекундной накачкой мощной фемтосекундной лазерной системы с учетом процессов суперлюминесценции и поглощения из возбужденного состояния с целью достижения интенсивности фемтосекундных импульсов свыше 1016 Вт/см2.

2. Разработка методики оптического зондирования для определения параметров высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с пространственным и временным разрешением.

3. Определение условий возможности возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы.

4. Исследование генерации второй гармоники на отражение в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме в том числе и в условиях резонансного возбуждения ПЭВ.

Научная новизна результатов. 1. По картине отражения и доплеровскому сдвигу частоты зондирующего излучения с пространственным разрешением 3-6 мкм и временным разрешением 200-300 фс исследована динамика коэффициента отражения и скорости разлета в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы, созданной на поверхности кварцевой мишени р-поляризованным фемтосекундным импульсом с интенсивностью МО15 Вт/см2.

Зафиксирована динамика поперечной структуры отражения зондирующего излучения от расширяющейся в вакуум высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы на пикосекундном масштабе времени.

2. С пространственным и временным разрешением прослежена динамика развития периодической структуры в отражении зондирующего излучения от высокотемпературной фемтосекундной плазмы, созданной двумя интерферирующими световыми пучками с интенсивностью 1=1015 Вт/см2 каждый. Двумя сверхинтенсивными интерферирующими световыми пучками на поверхности кварцевой мишени создан периодический рельеф с периодом 4.5 мкм.

3. Техника генерации неколлинеариой второй гармоники на отражение от высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы позволила измерить длительность сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов.

4. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы как р-, так и б- поляризованным излучением накачки. Получено существенное возрастание преобразования во вторую гармонику на отражение в случае, когда выполнены условия резонансного возбуждения ПЭВ на границе плазма-вакуум по сравнению со случаем отстройки от резонанса.

Практическая ценность работы. Результаты исследований по оптимизации процесса усиления фемтосекундных импульсов в усилителе на красителе с продольной накачкой пикосекундной длительности могут найти применение при создании мощных фемтосекундных лазерных систем на красителях. Схема фемтосекундного микроскопа и используемые методики могут быть использованы при разработке лазерно-плазменных фемто-технологий. Результаты по генерации второй гармоники в условиях резонансного возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы могут найти применение при создании эффективного нелинейно-оптического преобразователя.

Защищаемые положения. 1. При воздействии лазерного импульса с интенсивностью ~1015 Вт/см2 на пикосекундном масштабе времени в пространственной структуре

отражения зондирующего излучения от фемтосекундной лазерной плазмы возникает провал, связанный с пространственной неоднородностью таких параметров плазмы как длина разлета в вакуум и температура.

2. Измерение эффективности генерации второй гармоники на отражение и рентгеновского излучения с энергией квантов больше 2.5 кэВ в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме являются прецизионными методами контроля фокусировки сверхинтенсивного лазерного излучения на мишень.

3. Генерация неколлинеарной второй гармоники на отражение от высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы является методом измерения длительности сверхиитенеивных фемтосекундных лазерных импульсов, а также способом их временного совмещения на поверхности мишени.

4. На границе высокотемпературная фемтосекундная лазерная плазма-вакуум могут существовать поверхностные электромагнитные волны, о чем свидетельствует возрастание сигнала второй гармоники на отражение в условиях резонансного возбуждения ПЭВ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных конференциях: "Laser Optics" (St.Petersburg, Russia, 1993); "Ultrafast Processes in Spectroscopy" (Vilnius, Lithuania, 1993; Trieste, Italy, 1995); "International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (St.Petersburg, Russia, 1995; Moscow, Russia 1998); "Modern Problems o£ Laser Physics" (Novosibirsk, Russia, 1995); "Ultrafast Phenomena" (San-Diego, USA, 1996; Garmisch-Partenkirchen, Germany 1998); "Superstrong Fields in Plasmas" (Varenna, Italy 1997).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 126 наименований, содержит 107 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 1 таблицу.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы и защищаемые положения, кратко изложено содержание По главам диссертации.

Первая глава посвящена оптимизации режима усиления выходного каскада усилителя на красителе мощной фемтосекундной лазерной системы. На основании теоретического анализа предложена и реализована схема выходного каскада и измерены выходные параметры мощной фемтосекундной лазерной системы (МФЛС).

Во введении к главе, на основе обзора литературы, приведено сравнение режимов усиления в усилителях на красителях при наносекундной и пикосекундной накачке и при различных геометриях накачки. Из обзора следует, что для усиления фемтосекундных импульсов в оконечном каскаде оптимальной является продольная геометрия накачки пикосекундной длительности. Основными механизмами, ограничивающими КПД усилителей, являются суперлюминесценция и поглощение из возбужденного состояния.

В первой части главы проведен теоретический анализ режима накопления и съема инверсии в усилителе на красителе при продольной пикосекундной накачке и фемтосекундной усиливаемом импульсе. Для этого применена многоуровневая модель молекулы красителя, учитывающая поглощение из возбужденного состояния как на длине волны накачки, так и на длине волны усиливаемого сигнала. Показано, что из-за наличия поглощения из возбужденного состояния КПД накопления инверсии снижается с ростом плотности энергии накачки. С другой стороны, эффективность снятия накопленной энергии в усилителе возрастает с увеличением плотности энергии усиливаемого импульса. Таким образом, при заданной энергии накачки и энергии усиливаемого импульса для данного красителя существует оптимальный диаметр канала усиления. При заданном диаметре можно определить необходимую для оптимального усиления концентрацию красителя. Дополнительное условие на величину телесного угла, при котором можно пренебречь влиянием суперлюминесценции на процесс усиления, позволяет определить длину усилителя.

Сформулированы критерии выбора оптимального красителя для использования в усилителе фемтосекундных импульсов.

Проведены измерения кривых пропускания растворов красителей Рн-56, Rh-101, Фн-70 и Ох-17 на длине волны 540 нм. На основании этих зависимостей путем сравнения с теоретическим расчетом определены сечения поглощения из возбужденного состояния стех р. Измерения коэффициента усиления слабого сигнала в усилителе позволили определить эффективные сечения усиления стС££ на длине волны 616 нм красителей Рн-56, Rh-101 и Фн-70.

Результаты теоретического анализа использованы для оптимизации режима усиления выходного каскада трехкаскадного усилителя на красителе МФЛС.

Схема МФЛС приведена на рис.1 Задающий лазер на УАЮз:Ыс13+ с комбинированной обратной связью (КОС) генерирует цуги пикосекундных импульсов (tp-40 пс, Х=1.079 мкм) общей длительностью 5-6 мкс при частоте работы лазера 1 Гц. Излучение лазера выводится по двум каналам: для синхронной накачки лазера на красителях (ЛК) и для накачки усилителей на красителях.

Фемтосекундные импульсы генерируются в двухструнном ЛК с синхронной накачкой. В струе усилителя используется раствор красителя РН-55, в качестве поглотителя - раствор красителя 5156у. При этом минимальная длительность импульса составляет 200-300 фс в диапазоне длин волн ^=590-610 нм. При использовании в качестве поглотителя красителя DODCI обеспечивается генерация в области 605-620 нм импульсов длительностью 200 фс. Энергия импульсов составляет примерно 100 пДж.

Часть излучения задающего лазера используется для накачки усилителей на красителе. Из цуга импульсов с помощью системы выделения с контрастом больше 100 выделяется одиночный импульс, который усиливается в 4-х каскадной системе твердотельных усилителей до энергии 70 мДж. В кристалле DKDP излучение удваивается по частоте. Энергия импульса на длине волны А.=539 нм достигает 30 мДж. Полученный импульс используется для накачки трехкаскадного усилителя на красителе.

Первый каскад имеет поперечную геометрию накачки. Остальные -продольную. Примерно 3% энергии накачки направляется на первый каскад усиления, 30% - на второй. Энергия накачки третьего каскада достигает 20 мДж.

Для временного согласования усиливаемого импульса и импульса накачки в каждом каскаде используется призменная система временных задержек. В первом каскаде усиления используется краситель ФН-70. Одиночный фемтосекундный импульс усиливается в нем в 103 раз. Между первым и вторым каскадом расположен твердотельный насыщающийся поглотитель - пластинка стандартного фильтра КС-15 толщиной 400 мкм. Второй каскад усиления построен по схеме с продольной накачкой. В качестве усиливающей среды в нем используется краситель КЬ-101. Его коэффициент усиления примерно 100. Между вторым и третьим каскадами помещен насыщающийся поглотитель - раствор красителя БСШС!

В соответствии с критериями выбора оптимального красителя для использования в оконечном (третьем) каскаде мощной фемтосекундной лазерной системы на красителях был выбран краситель Ш1-101. В оптимальном режиме усиления при входной энергии, равной 5 мкДж, импульс длительностью примерно 200 фс на длине волны 610 нм усиливался до энергии "500 мкДж, значения, хорошо совпадающего с теоретическим предсказанием. Энергия накачки составляла 17 мДж. Контраст усиленных импульсов, отношение энергии полезного сигнала к энергии фона, превышал 1000. Полученное излучение обладает хорошим пространственным качеством и при фокусировке 1/Ь с помощью объектива, исправленного на сферическую аберрацию, может быть сфокусировано в пятно с диаметром 3.2±0.4 мкм, что лишь в два раза больше дифракционного предела. Это позволило достичь пиковой интенсивности на мишени 1—3*1018 Вт/см2.

Во второй главе приводятся результаты экспериментов по оптическому зондированию высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с пространственным и временным разрешением.

Во введении к главе изложены основные свойства высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы, описаны методы определения параметров плазмы по изменениям энергетических, частотных и фазовых характеристик излучения после отражения от плазмы.

В обзоре литературы описаны эксперименты по оптическому зондированию и приведены определенные по результатам этих измерений параметры плазмы. Отмечено, что эксперименты по измерению коэффициента отражения плазмы и доплеровского сдвига излучения,

отраженного от плазмы, проводились без пространстветпюго разрешения, в результате чего все полученные параметры плазмы являются усредненными по площади плазменного пятна.

В третьей части главы описаны эксперименты по оптическому зондированию плазмы с пространственным и временным разрешением. Зондирование плазмы осуществлялось как с передней, так и с обратной стороны кварцевой мишени. Для проведения экспериментов с фемтосекундной лазерной плазмой использовалось выходное излучение МФЛС. Для оптического зондирования плазмы с пространственным и временным разрешением был создан "фемтосекундный микроскоп". Зондирование плазмы осуществляется по следующей методике. Мощный импульс накачки зажигает плазму, а с помощью слабого, зондирующего, строится увеличенное изображение плазмы на ПЗС линейке. При построении изображения с использованием линзы пространственное разрешение составляет 6 мкм, а при использовании объектива, исправленного на сферическую аберрацию, разрешение повышается до 3 мкм. Задержка зондирующего импульса относительно импульса накачки может изменяться. Временное разрешение микроскопа соответствует длительности зондирующего импульса.

Фемтосекундный микроскоп, имеющий пространственное разрешение 6 мкм, был использован для измерения динамики коэффициента отражения зондирующего импульса от плазмы, разлетающейся в вакуум. Увеличение оптической схемы составляло 30х. В эксперименте плазма создавалась на поверхности кварцевой мишени р-поляризоваяным импульсом накачки длительностью 300 фс и интенсивностью 5.1015 Вт/см2. Угол падения составлял 45°. Зондирование осуществлялось с передней стороны, т.е. со стороны вакуума, под углом 45° р-поляризованным импульсом с интенсивностью равной примерно 10'1 Вт/см2 и длительностью 300 фс. Было обнаружено начало формирования провала в центре картины отражения при задержках зондирующего импульса относительно импульса накачки превышающих 1.5-2 пс. Получена зависимость коэффициента отражения области, соответствующей центру плазменного пятна, от задержки, которая представлена на рис.2. Измерена зависимость доплеровского сдвига спектра зондирующего импульса, отраженного от области, соответствующей центру

плазменного пятна, от задержки. Вплоть до задержки равной 3 пс соответствующая скорость разлета плазмы была практически постоянной и составляла 1.5±0.2.107 см/сек, что соответствует изотермической модели разлета. В соответствии с данными по доплеровскому сдвигу и коэффициенту отражения было определено, что максимуму зависимости коэффициента отражения соответствует температура 140 эВ, а плато - 44 эВ.

При зондировании плазмы с обратной стороны прозрачной мишени, профиль отражательной способности плазмы демонстрировал качественно такую ясе динамику, что и при зондировании спереди.

Третья глава посвящена определению возможности существования поверхностных волн (ПЭВ) на границе высокотемпературная фемтосекундная лазерная плазма-вакуум и возможности применения генерации второй гармоники (ВГ) для контроля параметров сверхинтенсивного лазерного излучения на поверхности твердотельной мишени.

Во введении и обзоре литературы описаны нелинейно-оптические свойства высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы и основные свойства ПЭВ.

В §3.2 была исследована возможность применения генерации ВГ на отражение от плазмы для прецизионного контроля фокусировки сверхинтенсивного излучения на мишень. Были проведены одновременные измерения эффективности генерации коллинеарной второй гармоники и энергии компоненты рентгеновского излучения с энергией квантов, превышающей 2500 эВ, в зависимости от положения фокусирующего мощное излучение объектива относительно поверхности . кремниевой мишени. Установлено, что энергия сигнала ВГ и рентгеновского излучения являются чувствительными функциями положения объектива относительно поверхности мишени и достигают своего максимального значения при одном и том же положении объектива. Энергия ВГ зависит от интенсивности излучения накачки как 1и191°-2, а энергия рентгеновского излучения - как т 2.2±0.4

В §3.3 анализируются возможности существования поверхностных волн (ЯЭВ) на границе высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с вакуумом. Теоретические оценки показывают, что ПЭВ может существовать на границе плазма-вакуум, однако испытывает сильное резонансное

поглощение в области с критической плотностью. В результате длина свободного пробега ПЭВ составляет величину порядка длины волны. Для импульса длительностью 200 фс при температуре плазмы в сотни эВ фактор возрастания локального поля может достигать 3. Это должно приводить к усилению нелинейных процессов идущих в плазме, в частности, к существенному (в десятки раз) возрастанию сигнала ВГ.

В §3.4 описан эксперимент по созданию с помощью двух сверхинтенсивных интерферирующих фемтосекундных импульсов длительностью 200 фс периодического рельефа на поверхности твердотельной мишени. Создание периодического рельефа делает возможным возбуждешге ПЭВ на границе высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с вакуумом.

Процесс формирования периодического рельефа контролировался с помощью фемтосекундного микроскопа. Была изучена динамика коэффициента отражения пробного импульса от плазмы созданной двумя интерферирующими р-поляризованными пучками интенсивностью 1015Вт/см2 каждый, падающими на поверхность кварцевой мишени под углами 47° и 60° соответственно. Зондирование производилось по нормали к поверхности. Пространственное разрешение схемы зондирования составляло 3 мкм. Периодическая структура в отражении формировалась при нулевой задержке между импульсами накачки. Период структуры составил 4,5 мкм, что соответствует расчету. При увеличении задержки пробного импульса начиная с задержки 1.5 пс на фоне периодической структуры в отражении возникает провал, подобный наблюдавшемуся ранее при одноимпульсном создании плазмы. При задержке порядка 1с, наблюдается модифицированная поверхность мишени - статическая ("вмороженная") решетка. ::

При пулевой задержке между импульсами накачки наблюдается сигнал неколлинеарной второй гармоники из плазмы, эффективность генерации которой составила 10~5. Зависимость энергии неколлинеарной ВГ от задержки между импульсами накачки совпала с автокорреляционной функцией импульса накачки, измеренной с помощью коррелятора, основанного на генерации второй гармоники (ВГ) в кристалле КОР. Результаты этих измерений приведены в §3.5.

§3.6 посвящен описанию экспериментов по генерации ВГ в условиях резонансного возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы. Возбуждение ПЭВ осуществлялось как р-, так и s- поляризованным излучением. Длительность импульса составляла 200 фс, длина волны 600 нм, а интенсивность 1015 Вт/см2. Условием резонансного возбуждения ПЭВ является выполнение соотношения: kp=kot-mg, где 1ср -волновой вектор ПЭВ, kot - проекция волнового вектора волны накачки на поверхность мишени, g - вектор обратной решетки, ш=±1, ±2 ... .

В экспериментах по возбуждению ПЭВ s- поляризованной накачкой в качестве мишени использовалась стандартная дифракционная решетка (1200 штрихов/мм), покрытая алюминием. Сигнал ВГ регистрировался в направлении зеркального отражения. При точном выполнении условия резонанса при s- поляризации накачки вектор обратной решетки должен быть перпендикулярен плоскости падения. Запись резонансной зависимости сигнала ВГ осуществлялась путем поворота мишени вокруг нормали к ее поверхности. Резонансная кривая для двух типов фокусировки представлена на рис.3.

В эксперименте по генерации ВГ в условиях возбуждения ПЭВ р-поляризованной накачкой в качестве решетки применялась периодическая структура, созданная на поверхности кварцевой мишени двумя сверхинтенсивными интерферирующими фемтосекундными импульсами. В ходе эксперимента измерялось отношение энергий ВГ рассеянной в нулевой и первый порядки дифракции на длине волны ВГ при выполнении условия резонанса и при отстройке от него. В случае резонанса наибольшего возрастания сигнала ВГ следует ожидать в направлении первого порядка дифракции за счет перерассеяния на решетке ВГ созданной ПЭВ. На рис.4 представлены угловые зависимости записанные с помощью ПЗС линейки. В случае отстройки от условий резонанса (рис. 46) соотношение амплитуд дифракционных максимумов нулевого и первого порядков соответствует стандартному для решетки малой амплитуды (глубина профиля много меньше длины волны). При настройке в резонанс (Рис. 4а) соотношение амплитуд меняется на обратное, что свидетельствует о вкладе резонансного возбуждения ПЭВ. При этом изменение угла падения составляло 3°, т.е. речь

идет об относительно малом изменении угла падения по сравнению с

известной угловой зависимостью эффективности ВГ.

Заключение.

1. Создан источник сверхсильного светового поля на основе мощной фемтосекундной лазерной системы на красителях видимого диапазона со следующими параметрами: минимальная длительность импульса 200 фс, диапазон перестройки по длине волны 590-620 нм, энергетический контраст 1000, максимальная интенсивность на мишени достигает 3*101бВт/см2. Параметры данного источника позволяют создавать и проводить эксперименты с высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмой.

2. Впервые с помощью "фемтосекундного микроскопа" с пространственным разрешением (~6 мкм) исследована динамика коэффициента отражения зондирующего излучения высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы, созданной на поверхности кварцевой мишени импульсом с интенсивностью 1=5*1015 Вт/см2:

Исследована динамика поперечной структуры отражения зондирующего излучения от расширяющейся в вакуум фемтосекундной лазерной плазмы на пикосекундном масштабе времени. Максимальный коэффициент отражения зондирующего р поляризованного излучения при угле падения 45° достигает 35+4% в центре плазменного пятна. Данному коэффициенту отражения соответствует расчетная температура 140 эВ. Измерения доплеровского сдвига спектра зондирующего пучка позволили оценить величину максимальной скорости расширения плазмы в центре пятна равную 1.5±0.2*107 см/сек.

3. Показано, что измерение эффективности генерации ВГ на отражение и рентгеновского излучения с энергией квантов больше 2.5 кэВ в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме являются методами контроля фокусировки сверхинтенсивного лазерного излучения на поверхность мишени.

4. Впервые с помощью фемтосекундного микроскопа прослежена динамика развития периодической структуры в отражении от фемтосекундной

плазмы, созданной двумя интерферирующими световыми пучками с интенсивностью 1=1015 Вт/см2 в каждом. С помощью двух сверхинтенсивных интерферирующих световых пучков на поверхности кварцевой мишени создан периодический рельеф с периодом 4.5 мкм.

5. Впервые показано, что генерация неколлинеарной второй гармоники в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме может быть как средством временного совмещения мощных фемтосекундных импульсов на поверхности мишени, так и методом бесфонового измерения их длительности в широком диапазоне длин волн.

6. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность возбуждения ПЭВ на поверхности высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы с периодическим рельефом. Зарегистрировано существенное возрастание преобразования во вторую гармонику на отражение в случае, когда выполнены условия резонансного возбуждения ПЭВ на границе плазма-вакуум. Возбуждение ПЭВ осуществлено как р-, так и е- поляризованным излучением накачки.

НП1 УК1

А.=0.5 9-0.62 мкм 1=3*1016 Вт/см2 т=200 фс у=1Гц

Рис.1. Схема мощной фемтосекундной лазерной системы на красителях. УАЮз - твердотельный пикосекундный лазер; КОС - комбинированная обратная связь; ЛК - двухструйньш лазер на красителях; СВ - система выделения одиночного импульса; СТУ - система твердотельных усилителей; УК1-3 - усилители на красителях; НП1,2 - насыщающиеся поглотители.

Рис. 2 Экспериментальная ( о ) и теоретическая для Т=44 эВ (пунктир) зависимости коэффициента отражения плазмы от задержки. Пик отражения соответствует Т=140 эВ.

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

0 , град.

Рис.3 Угловая зависимость энергии Е второй гармоники ( • ) и отраженного излучения накачки ( о ) при фокусировке !/10. Треугольниками обозначена угловая зависимость энергии второй гармоники при фокусировке

Е, (отн. ед.)

а)

2. "

1 »

: \

1-1-1-г

Е, (отп. ед.) б)

,. I_I-

-2-1012 -1 © (отп. ед.)

Рис.4 Угловой спектр второй гармоники от индуцированной решетки: а) резонансный случай при угле падения накачки 60° и б) нерезонансный случай при угле падения накачки 57°. 1 - нулевой порядок дифракции, 2 - первый порядок дифракции.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Р.В.Волков, В.М.Гордиенко, ПТ.Оганян, А.П.Тарасевич Пространственно-времешгая диагностика фемтосекундной приповерхностной высокотемпературной лазерноиндуцированной плазмы.// Тез. докл. конф. "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993, с.658.

2. A.P.Tarasevitch, V.M.Gordienko, S.A.Magnitskii, P.H.Ohanyan, P.A.Oleynikov, V.T.Platonenko, R.V.Volkov Time- and Space-Resolved Probing of Plasma Produced on a Transparent Target Surface by Superintense Femtosecond Pulses.// UPS'93 Proceedings, Lithuanian Journal of Physics, 1993, v.33, p.331.

3. Р.В.Волков, ВЖГордиенко, С.А.Магницкий, П.Г.Оганян, П.А.Олейников, В.Т.Платоненко, А.П.Тарасевич. Эволюция приповерхностной высокотемпературной фемтосекундной плазмы, регистрируемой с пространственным разрешением.// Квантовая электроника, 1995, т.22, сс.909-912.

4. A.P.Tarasevitch, V.M.Gordienko, S.A.Magnitskii, P.H.Ohanyan, P.A.Oleynikov, V.T.Platonenko, R.V.Volkov. High-Temperature Plasma Induced by fs Laser Beams Interfering on Target Surface.// Technical Digest of Joint Symposia of 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics & 8-th Laser Optics Conference, St.Petersburg, June 1995, St.Petersburg, p.9.

5. A.P.Tarasevitch, V.M.Gordienko, M.S.Djidjoev, S.A.Magnitskii, V.T.Platonenko, A.B.Savel'ev, and R.V.Volkov. Nonlinear optical phenomena in femtosecond near-surface high-temperature plasma induced by interfering beams.// Technical Digest of IX Int. Symposium on UPS'95, Trieste, Italy, paper WA5.

6. Р.В.Волков, В.М-Гордиенко, М.С.Джиджоев, С.А.Магницкий, В.Т.Платоненко, А.В.Савельев, А.П.Тарасевич, А.О.Тимошин. Двухпучковые взаимодействия сверхинтенсивного фемтосекундного излучения с поверхностью твердотельной мишени; модификация поверхности и генерация второй гармоники в условиях возбуждения поверхностных электромагнитных волн.// Квантовая электроника, 1996, т.23, сс.539-543.

7. R.V.Volkov, V.M.Gordienko, A.B.Savel'ev, A.P.Tarasevitch, and A.O.Timoshin. Second-harmonic generation in high-temperature near-surface femtosecond

plasmas under conditions of the resonance excitation of a surface electromagnetic wave.// Laser Physics, 1996, т.6, pp.1158-1163.

8. A:P.Tarasevitch, V.M.Gordienko, A.B.Savel'ev, A.O.Timoshin, and R.V.Volkov. Excitation of surface electromagnetic wave in high-temperature near-surface plasmas; resonance second harmonic generation.// Ultrafast Phenomena, v. 8, 1996 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington DC, 1996), p. 168.

9. M.S.Djidjoev, V.M.Gordienko, M.A.Joukov, V.T.Platonenko, A.B.Savel'ev, A.P.Tarasevitch, A.O.Timoshin, and R.V.Volkov. Second harmonic generation in high-temperature femtosecond plasma produced on a target surface modified by interfering laser beams.// Proceedings of International Symposium "Modern problems of laser physics", Novosibirsk, Russia, 1996, pp.163-170.

10. V.G.Babaev, MS.Dzhidzhoev, V.M.Gordienko, M.A.Joukov, A.B.Savel'ev, V.Yu.Timoshenko, A.A.Shashkov and R.V.Volkov. X-ray production and second harmonic generation by superintense femtosecond laser pulses in the solids with restricted thermal conduction.// Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 1997, v.6, pp.495-505.

11. Р.В.Волков, В.М.Гордиенко, МС.Джиджоев, М.А.Жуков, П.ММихеев, А.Б.Савельев, A.A. Шашков. Управление свойствами и диагностика фемтосекундной плотной плазмы с использованием модифицированных мишеней.// Квантовая электроника, 1997, т.24, сс.1114-1126.

12. V.M.Gordienko, M.S.Djidjoev, M.AJoukov, A.B.Savel'ev, A.A.Shashkov, and R.V.Volkov "X-ray production and SHG from femtosecond plasmas induced in modified solid targets".// Proceedings of First International Conference "Superstrong fields in plasmas", Varenna, Italy 1997, pp.241-252.

13. MS.Djidjoev, D.M.Golishnikov, V.M.Gordienko, B.V.Kamenev, P.K.Kashkarov, P.M.Mikheev, A.B.Savel'ev, A.A.Shashkov, V.Yu.Timoshenko and R.V.Volkov. Overheated femtosecond plasma in highly porous silicon.// Technical Digest of XVI Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia 1998, paper ThZ24.

14. A.B.Savel'ev, M.S.Djidjoev, D.M.Golishnikov, V.M.Gordienko, P.M.Mikheev, A.A.Shashkov, and R.V.Volkov. Interaction of superintense femtosecond laser pulses with cluster-like solids.// Technical Digest of XI Int. Conf. on UP'98, Garmisch-Partenkirchen, Germany, paper TuP15.