Эффекты резонансного лазерного воздействия на газовые, плазменные и дисперсные среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Гаврилюк Анатолий Петрович

ЭФФЕКТЫ РЕЗОНАНСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГАЗОВЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ И ДИСПЕРСНЫЕ СРЕДЫ

Специальность 01.04.05 - Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Красноярск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант д.ф.-м.н., профессор

Шапарев Николай Якимович

Официальные оппоненты:

Архипкин Василий Григорьевич, д.ф.-м.н., профессор, ИФ СО РАН, зав.лаб. Ветров Степан Яковлевич, д.ф.-м.н., профессор, СФУ, профессор. Очкин Владимир Николаевич, д.ф.-м.н., профессор, ФИАН, зам. дир.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

учреждение Институт оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск

Защита состоится « 31 » мая_2012 г. в 1430 часов

на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 при Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г.Красноярск, Академгородок, 50, стр.38, Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / ,

доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

у/

-----------:------: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Прогресс, достигнутый в области лазерной спектроскопии, обработки материалов, генерации плазмы, термохимии, разделения изотопов и фотохимии, убедительно доказал, что лазерное излучение является весьма гибким управляющим средством, которое позволяет изменять как макроскопическое, так и микроскопическое состояние объектов. Основой этого является способность лазерного излучения избирательно возбуждать различные степени свободы физической системы. Эффективного селективное лазерное воздействие можно реализовать, используя явление оптического резонанса. При этом эффект лазерного воздействия оказывается очень чувствительным к характеристикам самого излучения. Сложность и сильная неравновесность процессов, индуцированных резонансными лазерными полями, обуславливают также необходимость применения методов компьютерного моделирования для адекватного описания и понимания возможностей управления состоянием вещества с помощью лазерного излучения.

При поглощении резонансного излучения изменяется состояние (атомов, ионов и наночастиц, которые и рассматриваются в настоящей работе), определяемое как внутренними, так и поступательными степенями свободы. Изменение состояния по внутренним степеням свободы обусловлено поглощением энергии фотона, а по поступательным - передачей импульса фотона микрочастице. В условиях плотных и относительно горячих сред (газ, плазма) или массивных наночастиц передачей импульса можно пренебречь вследствие его малости в сравнении с другими процессами обмена импульсом. В то же время в условиях разреженных сред холодных (ультрахолодных) частиц роль этого процесса может быть решающей.

Одной из важных задач лазерной физики является получение плазмы в поле лазерного излучения. Возможность образования плазмы при лазерном воздействии позволяет значительно расширить область применения лазеров: создание оптического плазмотрона, обработка поверхностей, получение инверсных сред, образование плазменных каналов для транспортировки заряженных частиц. Использование резонансного излучения позволяет существенно повысить эффективность преобразования энергии излучения в энергию плазмы и, соответственно, снизить требуемую для этого интенсивность лазерного излучения.

Другой важной задачей является исследование взаимодействия резонансного лазерного излучения с наночастицами (и их агрегатами), имеющими плаз-монный резонанс. В настоящее время эти исследования приобрели особую актуальность. В частности, это связано с обнаружением у агрегатов коллоидных частиц весьма необычных нелинейно-оптических свойств. Это делает весьма перспективным использование агрегированных золей металлов для многочисленных применений в качестве сред для ограничения интенсивности проходящего излучения, управления нелинейной рефракцией, создания систем сверхплотной записи оптической информации, повышения чувствительности спектроскопии при-

месей. Кроме того, наноструктурированные дисперсные системы могут стать основой для широкого применения в нанотехнологиях. Несмотря на обширное число публикаций, посвященных исследованию свойств фрактальных агрегатов наночастиц, до сих пор отсутствуют адекватные модели процессов изменения пол действием света их структуры и соответствующее изменение их оптических свойств.

Что касается воздействия на поступательные степени свободы атомов и ионов посредством передачи импульса фотона, то за последние 15-20 лет исследования в данной области сформировались в новое направление лазерной физики. Установлено, что резонансное лазерное излучение способно оказывать чрезвычайно многообразное по своему характеру механическое действие на движение атомов. В рамках этого направления были разработаны эффективные методы сверхглубокого охлаждения и локализации нейтральных атомов, которые позволили, в частности, осуществить уникальные эксперименты по Бозе-конденсации.

Однако, несмотря на выдающиеся успехи использования методов лазерного охлаждения и локализации атомов и ионов, электрон-ионная плазма в подобном аспекте ранее не рассматривалась. Уже первые работы в этом направлении показали, что распространение указанных методов на плазму может привести к получению в лабораторных условиях новых физических объектов, фундаментальный интерес к которым связан с открывающимися возможностями изучения плазмы в малоисследованном диапазоне параметров. К таким, прежде всего, относятся изучение особенностей фазовых переходов жидкость - вигнеровский кристалл в трехмерных (электрон-ионных) кулоновских системах, проявлений рекомбинационных и столкновительных процессов, а также коллективных явлений в плазме при сверхнизких температурах. При этом важно, что сам способ "приготовления" ультрахолодной плазмы (с температурами частиц менее 100 К), основанный на действии лазерного излучения, допускает возможность целенаправленного управления её состоянием посредством перестройки режимов воздействия лазерного излучения и его параметров.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия резонансного лазерного излучения с газовыми, плазменными и конденсированными средами, содержащими резонансные этому излучению частицы вещества (атомы, ионы, наночастицы) и изучению возможностей изменения агрегатных состояний этих сред (и сопутствующих этому эффектов): плазмообразо-вание, создание сильно-неидеальной плазмы и образование в ней упорядоченных (кристаллических) структур, фотомодификация агрегатов наночастиц.

Методы исследований. Используются модели и методы физики плазмы, лазерной физики, спектроскопии. Исследования проводятся на основе компьютерного и аналитического моделирования, а также численного решения нелинейных систем дифференциальных уравнений.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректным учетом и математическим описанием всей совокупности физи-

ческих процессов в исследуемых явлениях, сравнением результатов численных

расчетов с аналитическими решениями (когда последние возможны), а также согласием теоретических результатов с экспериментальными.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Моделирование и исследование процесса плазмообразования (и сопутствующих нелинейных эффектов) в парах щелочных металлов при воздействии лазерного излучения, резонансного квантовому переходу между основным и возбужденным состояниями атома.

2. Теория оптического разряда, реализуемого в поле лазерного излучения, резонансного переходу между возбужденными состояниями атома.

3. Постановка задачи и модель процесса образования плазмы при воздействии на поверхность металла резонансного (квантовым переходам атомов паров этого металла) лазерного излучения.

4. Метод создания ультрахолодной сильнонеидеальной электрон-ионной плазмы, основанный на лазерном охлаждении плазменных ионов, и исследование протекающих в ней элементарных и коллективных процессов.

5. Взаимодействие плазмы с «оптической мембраной», образованной суперпозицией бихроматических лазерных пучков резонансного плазменным ионам излучения. Способ магнито-оптического удержания ультрахолодной плазмы, основанный на использовании «оптической мембраны».

6. Моделирование воздействия квазирезонансного лазерного излучения на простейший агрегат (димер) плазмонно-резонансных наночастиц и использование полученных результатов для описания эффектов, возникающих при фотомодификации многочастичных агрегатов.

Научная новизна.

1. На основе радиационно-столкновительной модели описан процесс образования плазмы в парах металлов при воздействии резонансного оптического излучения, а также проявление ионизационного просветления и потемнения газа при распространении в нем резонансного излучения. Предсказаны эффекты: возникновения колебаний параметров плазмы и образования переохлажденной плазмы.

2. Построена теория оптического разряда в поле лазерного излучения, резонан-ного переходу между возбужденными состояниями атомов. Показана возможность эффективного поддержания плазмы инфракрасным или оптическим резонансным излучением в газах с атомами, порог ионизации которых значительно превышает энергию фотона лазерного излучения.

3. Поставлена задача и создана модель воздействия на поверхность металла интенсивного лазерного излучения, резонансного атомам паров металла. Предсказано увеличение концентрации плазмы с ростом отстройки частоты лазерного излучения от резонанса, обусловленное уменьшением экранировки поверхности образующейся плазмой.

4. Предложен способ создания электрон-ионной ультрахолодной сильнонеидеальной плазмы, основанный на использовании методов лазерного охлаждения.

Показана принципиальная возможность достижения с помощью таких методов условий вигнеровской кристаллизации плазмы. На основе исследований протекающих в ней элементарных и коллективных процессов построены математические модели динамики ее охлаждения и кристаллизации в поле резонансного лазерного излучения. Обнаружено явление задержки кристаллизации ионной подсистемы относительно ее охлаждения.

5. Проведено теоретическое исследование взаимодействия ультрахолодной плазмы с «оптической мембраной». Обнаружено существование скачков электрического потенциала и давления, а также образование двойного электрического слоя в области локализации «оптической мембраны». На основе ее использования предложен новый тип плазменной ловушки.

6. Впервые проведено комплексное моделирование воздействия импульсного резонансного лазерного излучения на связанную пару (димер) плазмонно-резо-нансньгх наночастиц. На основе модели предсказана асимметрия провала (относительно лазерной частоты), «выжигаемого» излучением в спектре поглощения многочастичного агрегата плазмон-резонансных наночастиц.

Практическая значимость работы.

1. Резонансный способ образования плазмы требует значительно меньшей интенсивности излучения по сравнению с нерезонансным, что позволяет использовать его для генерации плазмы, создания плазменных каналов для транспортировки заряженных частиц. При этом возможность получения переохлажденной плазмы в резонансном разряде может представлять интерес для создания инверсных сред плазменных лазеров.

2. Ультрахолодная плазма и метод ее создания представляет интерес не только как новый физический объект, но и как источник ридберговских атомов и ультрахолодных электронов. Кроме того, она позволяет исследовать элементарные процессы между заряженными частицами с малой кинетической энергией.

3. Исследованные эффекты взаимодействия «оптической мембраны» с плазмой показали возможность се применения для регистрации пондеромоторных сил в резонансном лазерном поле и диагностики плазмы. Селективный характер воздействия позволяет использовать ее в целях разделения (обогащения, очистки) ионных компонент плазмы.

4. Предложенная модель фотомодификации агрегатов наночастиц и ее развитие может быть полезной для исследования оптических свойств наноагрегатов и целенаправленного их изменения для использования в нелинейной оптике и разработке устройств нанофотоники.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: V Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979); II семинаре по математическим задачам нелинейной оптики (Красноярск, 1983); Всесоюзном семинаре «Процессы ионизации с участием возбужденных атомов» (Ленинград, 1984); Всесоюзном семинаре «Резонансные нелинейные оптические

процессы в газах» (Дивногорск, 1986); Всесоюзном семинаре «Лазерная резонансная ионизационная спектроскопия» (Новосибирск, 1988); I школе-семинаре по математическим моделям ближнего космоса (Дивногорск, 1988); III рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме (Но-осибирск, 1990); II, IV, VI, VIII Sino-Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Harbin, China, 1995, 1998, 2002, 2006); XI International Conference on Nonlinear Optics (Novosibirsk, Russia, 1997); I, III, V, IX Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Krasnoyarsk, Russia, 1994,1996; Tomsk, 2000, 2008); II, IV International Symposium"Modem Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997, 2004); VI International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" (Tomsk, 2003); II Всероссийской конференции по нано-материалам (НАНО-2007, Новосибирск, 2007); Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (ICONO/LAT-2007, Минск, 2007; ICONO/LAT-2010, Казань, 2010); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2007); 1, II Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008, Москва, 2008; MMIICH-2009, Москва, 2009); XI Международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнология и микросистемы» (Ульяновск, 2009).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 49 печатных научных работах, из них 26 в научных журналах из списка ВАК.

Личный вклад автора. Вошедшие в диссертацию результаты получены совместно с Шапаревым Н.Я., Красновым И.В., Карповым С.В. Но основной вклад по представленным результатам принадлежит лично автору.

Структура диссертации и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Содержание диссертационной работы изложено на 232 страницах, включая 105 рисунков и 7 таблиц. Список используемых источников содержит 220 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дан краткий обзор работ по воздействию резонансного лазерного излучения как на газообразные (газ, плазма), так и на конденсированные (поверхность металла, золи металла) среды с целью изменения их агрегатных состояний, физических и оптических свойств. Обоснована актуальность проведенных автором исследований и их научная новизна. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена исследованию явления образования плазмы в атомарном газе при воздействии лазерного излучения резонансного переходу между основным и возбужденным состоянием атомов.

В первом параграфе в радиационно-столкновительном приближении построена модель процесса ионизации, схема которого приведена на рис. 1.

Во втором параграфе проведены численные эксперименты по исследования кинетики процесса ионизации в парах натрия и цезия. В результате было установлено, что в режиме насыщения перехода физическая картина процесса

образования плазмы состоит в следующем. После быстрою насыщения перехода, за счет ассоциативной ионизации возбужденных атомов происходит образование свободных электронов. Последние, в результате сверхупругих столкнове-

рскомоикацня

I_____

I

- - t

Sjllc

;s4Hc

|Аи

¡Sa

A

42

crl

An

iCill«

-1

Рис. 1. Схема процессов, протекающих при резонансном оптическом разряде: о1 - действие резонансного излучения, Ajj- скорость спонтанного распада j-ro уровня на i-ый, пе- концентрация электронов, Sine- ионизация атомов электронным ударом i- го уровня, К*цПе- возбуждение-девозбуждение атомов электронным ударом, рекомбинация, включающая радиационную и трехчастичную.

ний с возбужденными излучением атомами начинают набирать энергию, достаточную для ионизации возбужденных излучением атомов (рис. 2а). После этого процесс ионизации развивается лавинным образом (рис. 2Ь).

0.025

I

lie/HQ

t, МКС

t,MKC

Рис.2. Зависимость температуры (а) и концентрации (Ь) электронов от времени при начальной концентрации атомов по=1015см"3, сг1=2109 с"1 и использовании различных моделей: 1- 2-х уровневой, 2- 8-ми уровневой, 3, (а) - 15-ти уровне-вой.

Причем, в условиях насыщения, температура электронов (Тс) на этапе лавинной ионизации остается практически неизменной (рис. 2а) и определяется балансом между получаемой при сверхупругих столкновениях энергией и теряемой при ионизации атомов. В дальнейшем температура электронов начинает снижаться, а ионов - увеличиваться за счет упругих электрон-ионных столкновений. При значительных концентрациях п0> К2\ /К-21 снижение температуры электронов также может быть связано с нарушением условия насыщения резонансного перехода,

обусловленное ростом скорости столкновительного девозбуждения атомов электронами в процессе лавинной ионизации.

Характерное время лавинной ионизации (рис. 2Ь) определяется балансом между затрачиваемой на ионизацию электронов энергии и получаемой ими при девозбуждении атомов:

~К2]П2Е12, откуда Бз = К21Е]2/12, (О

где Е(2 - энергия резонансного перехода, - потенциал ионизации резонансно-возбужденного атома, 82 -общий коэффициент скорости ионизации, включающий и ионизацию посредством ступенчатых процессов, п2 - концентрация возбужденных излучением атомов. Поскольку К2 ] слабо зависит от температуры электронов, то, как видно из (1), коэффициент скорости общей ионизации должен тоже слабо от нее зависеть, а значит и характерное время ионизации не должно зависеть от числа учитываемых уровней в модели (рис. 2Ь). При этом температура электронов определяемая выражением (1) в разных моделях будет устанавливаться такой, чтобы скорость ионизации была одинаковой.

Параграф три посвящен исследованию обнаруженного явления возникновения колебаний температуры электронов и концентрации частиц при установлении стационарного режима резонансного оптического разряда (рис.3).

' ; Дм »В.-

Рис.3. Временные зависимости температуры электронов Te(t) (сплошная кривая) и ионов T¡(t) (штриховая) при lio" 1015 см"3 и различных концентрацях буферного газа: 1- 1016см"3; 2 -1017см"3; 3-1018 см"3.

Появление этих колебаний обусловлено существованием обратной связи между поглощением излучения и степенью ионизации газа: с ростом концентрации электронов уменьшается концентрация атомов и, соответственно, поглощение излучения. В результате поступление энергии в электронную подсистему будет уменьшаться. Кроме того, охлаждение электронов на ионах на начальном этапе происходит значительно быстрее трехчастичной рекомбинации, но с уменьшением температуры электронов ее скорость резко возрастает, что и приводит снова к заселению уровней, связанных излучением и, соответственно, к росту поглощения энергии этого излучения. Причем, чем медленнее нагрев ио-

нов (регулируется концентрацией буферного газа), тем более ярко проявление указанных колебаний (рис. 3).

Обнаруженный эффект возникновения колебаний температуры электронов представляет интерес для получения силыюнеравновесной (переохлажденной) плазмы, которая, как известно, может являться активной средой для генерации лазерного излучения. Как следует из полученной физической картины колебаний, наиболее эффективно при этом использование импульсов излучения с длительностью, превышающей время ионизации, но меньшей характерного времени охлаждения электронов при упругих столкновениях с ионами. В четвертом параграфе на примере плазмы натрия показано, что при трехчастичной рекомбинации такой переохлажденной плазмы может возникать инверсия населенностей на переходах между высоколежащими уровнями атомов натрия (например, 4Р3л -4Э„).

Пятый параграф посвящен изучению интересному с точки зрения приложения свойству резонансного оптического разряда - селективности ионизации. На основе се использования в работе показана возможность эффективного разделения изотопов в плазме, создаваемой при возбуждении атомов одного из изотопов резонансным излучением. При этом резонансная передача возбуждения не является процессом, лимитирующим степень разделения.

Изменение свойств среды (ионизация) при распространении резок нсного излучения будет оказывать влияние и на само распространение этого излучения. Исследованию этого влияния посвящен шестой параграф. Как показано в работе1, ионизация газа может приводить, как к его «просветлению», так и к «потемнению». Проявление этих эффектов связано с уменьшением концентрации поглощающих атомов («просветление») и увеличением скорости тушения возбужденных атомов электронами («потемнение»). Возникновение «потемнения» газа опреде.1[яется условием

К21п0 / А2] > 1. (2)

Исследование динамики распространения лазерного излучения в ионизуемом им газе было проведено на основе численного решения задачи, описываемой нестационарным одномерным уравнением переноса лазерного излучения

1(1,0) = 10, п,(0,х) = п0, п2(0,х) = 0 (3)

31 1

— +

Зх с

„ . 51 — +---= —о1

а

е2

совместно с уравнениями кинетики населенностей N1, N3 и температуры электронов. Получена детальная физическая картина движения «фронта» интенсивности, как в отсутствии, так и в присутствии эффекта «потемнения» (рис. 4).

В первом случае движение «фронта» является плоскопарралельным и поступательным. Во втором случае (рис.4) наблюдается возвратное его движение

Шапарев Н.Я. Ионизационное просветление газа//ЖЭТФ.- 1981,-Т. 80.-С. 957-963.

хю^см^с-1 1.0 -

0 8-

Рис.4. Распределение интенсивности по пространству в различные моменты времени в условиях проявления «потем-

0.4-

нения» среды при п0=5- 10м см'3, 10=1020 см'2 с"1.

О-

о

30

120 X, мкм

На конечном этапе ионизации среда просветляется. Причем за счет ионизационного просветления оптическая толщина среды может уменьшаться на порядки в сравнении с просветлением за счет насыщения.

Глава 2 посвящена изложению теории оптического разряда, реализуемого при воздействии лазерного излучения, резонансного квантовому переходу между возбужденными состояниями атомов (рис. 5).

В первом параграфе предложен механизм реализации оптического разряда в атомарных газах, основанный на возможности эффективного нагрева плазмы лазерным излучением, резонансным переходу между возбужденными состояниями атома.

Суть такого нагрева заключается в том, что поглощаемая энергия излучения в результате сверхупругих столкновений передается от возбужденных атомов электронам плазмы. Нагреваясь, электроны заселяют при столкновениях с атомами нижнее возбужденное состояние данного перехода, тем самым обеспечивая необходимое поглощение лазерного излучения. Возможность реализации этого механизма не зависит от вида и структуры атомов, что может характеризовать его как универсальный механизм нагрева плазмы.

Построена теория оптического разряда на возбужденных атомах, позволившая определить его специфические закономерности: существование несколь-

1

т

Рис. 5. Схема возбуждения атома в плазме оптического разряда на возбужденных атомах.

ких стационарных состояний (рис. 6), а также пороговых значений концентраций газа и интенсивностей лазерного излучения.

Для низкоэнергетических (Етк«1|) переходов и достаточно высоких концентраций По»А2|/К2[ показано, что поддерживаемая плазма является квазиравновесной. Это обусловлено существованием следующей иерархии характерных времен процессов:

Тт«Тг, ТЬ, Та ; ТУ<ТГ«Т5, ТС1<ТЬ (4)

где Хщ - характерное время установления максвелловского распределения электронов, Ту, тг, т5, те|, Хь - характерные времена: возбуждения перехода резонансным излучением, релаксации населенностей при столкновениях с электронами, ионизации электронным ударом, электрон-ионного обмена энергией при упругих столкновениях, нагрева электронов при девозбуждении атомов, находящимися на уровне т (рис. 5). На основе этого удалось свести описание нагрева плазмы от системы дифференциальных уравнений кинетики населенностей и температур частиц к одному уравнению для температуры плазмы. Анализ этого уравнения позволил найти условия устойчивого существования (Т=Тэ на рис. 6) такого разряда в поле непрерывного лазерного излучения.

т»сге)

О

Рис. 6. Качественный вид зависимостей поглощаемой плазмой энергии излучения W+ и потерями из плазменного канала от температуры плазмы. Здесь в первом стационарном состоянии (Т]=0) плазма отсутствует; во втором (Т=Т2)-плазма является неустойчивой; стационарное состояние при Т=Т3 - устойчивое плазменное состояние.

Отметим, что в отличие от предыдущего случая (см. Глава 1) для реализации данного типа разряда необходимо предварительное создание (за счет других каких-либо механизмов) плазмы с температурой Т > Т2 (рис. 6), которая в последующем будет поддерживаться излучением при Т=Т3.

Во втором параграфе рассмотрена задача поддержания плазмы в поле им-пульсно-периодического лазерного излучения. На основе ее решения найдены характеристики лазерного излучения и условия, обеспечивающие устойчивое существование такой плазмы.

Для переходов, содержащих промежуточные уровни (т-к>1 на рис. 5), проведенное математическое моделирование и численное исследование кинетики нагрева плазмы показало, что в случае ненасыщающих переход интенсивно-стях излучения условия устойчивого поддержания плазмы аналогичны случаю низкоэнергетического (т - к=1) перехода. Кроме того, показано, что существование промежуточных уровней может приводить к возникновению инверсии на

некоторых переходах с их участием, что делает данный способ поддержания плазмы перспективным с точки зрения создания сред для генерации излучения.

В третьем параграфе на примере азотной плазмы различного давления (0.1-40 атм.) продемонстрирована возможность поддержания оптического разряда резонансным лазерным излучением инфракрасного или оптического диапазона в газе с атомами, имеющими большие энергии (соответствующие ультрафиолетовому диапазону частот) возбуждения и ионизации. Показано, что поддержание плазмы резонансным излучением возможно при значительно меньших (на два и более порядка) интенсивностях, чем нерезонансным излучением2. Это обусловлено большим коэффициентом поглощения излучения и меньшей температурой плазмы в резонансном случае.

В Главе 3 поставлена и рассмотрена задача о воздействии лазерного излучения на поверхность металлической мишени в условиях, когда частота излучения близка к частоте квантового перехода атомов паров мишени, образующихся в результате нагрева ее поверхности излучением.

В первом параграфе главы построена аналитическая модель такого взаимодействия, описывающая испарение мишени и ионизацию ее паров в квазистационарном режиме - режиме развитого испарения, который может осуществляться при действии достаточно длительных или мощных лазерных импульсов. В этом случае, полагая, что поглощаемая поверхностью энергия излучения, в основном, тратится на ее испарение можно оценить концентрацию пара По и скорость его истечения с поверхности:

10г«[Ьа+(3/2)квТ5]-уцп0, у§КВД/М)1/2, (5)

где 10- интенсивность падающего на поверхность излучения, т- коэффициент поглощения излучения поверхностью, Ьа - теплота парообразования, Т8 - температура поверхности, кв- постоянная Больцмана, М - масса атома. Используя результаты главы 1 по кинетике ионизации газа в условиях насыщения перехода, удалось найти степень ионизации пара в зависимости от расстояния до поверхности.

Во втором параграфе рассматривается та же задача квазистационарного воздействия, но в отсутствии насыщения перехода. В этом случае размеры переходного слоя (пар-плазма) зависят от отстройки лазерного излучения и ширины линии поглощения, определяемой допплеровским и ударным уширением. При этом обнаружено, что в режиме развитого испарения при интенсивностях 10г > 105 2 даже в точном резонансе насыщение перехода будет отсутство-

вать. Это связано с тем, что с ростом интенсивности растет концентрация пара и, соответственно, уширение линии поглощения.

В третьем параграфе аналитически рассматривается задача о воздействии на поверхность «короткого» импульса. Этот случай противоположен предыдущему: затраты поглощаемой энергии излучения на испарение малы, в основном,

Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. - М.: Наука, 1974.-308 с.

13

она затрачивается на нагрев металлической мишени. В этом случае температура

поверхности при действии прямоугольного импульса определяется выражени-

т

ем :

т3=т0+ш07Г,

0 = 2г(яХстр)'

-1/2

(6)

где Т0 - начальная температура поверхности, х ~ коэффициент теплопроводности металла, ст- его теплоемкость, р - плотность. Плотность потока паров с поверхности определяется формулой Герца-Кнудсена:

] = РП (2яквТ5М)1/2, Рп =Р0 -ехр(Ьа /Ту)-ехр(-Ьа /квТ5), (7)

где Р„- давление насыщенного пара, Р0 - нормальное давление (1 атм), Ту - температура кипения при нормальном давлении. Поток j определяет полное количество образующегося пара. Зная скорость расширения паровой области в вакуум, которая равна скорости звука Ус, можно найти среднюю концентрацию пара. Описание кинетики ионизации в этом случае также основывается па результатах главы 1.

В четвертом параграфе для более точного описания взаимодействия лазерного излучения с металлической мишенью в более широкой области параметров была построена модель, качественный вид которой изображен на рис. 7.

-V V-.

<1 ь •

слоикнудсена

I

н

1о

Рис.7. Схема воздействия лазерного излучения на поверхность металла: V,,,, V,,-, V-- скорости фронта плавления, испарения, звука, jl 2,с - поток испаряемых атомов (1- нормальных, 2-возбужденных) и электронов, 10, I* - падающее и отраженное излучение, Н -толщина газовой области.

Эта модель описывает в одномерном приближении динамику нагрева, испарения, ионизации с учетом расширения газовой области и поглощения в ней лазерного излучения. Она включает в себя:

1) двухфазное уравнение теплопроводности (задача Стефана) с условиями на межфазных границах (Г" и Б на рис. 7);

2) условия Найта"1 на внешней границе кнудсеновского слоя, которые опредедя-

Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения,- М.: Мир, 1974,- 365 с. Найт Ч.Дж. Ракетная техника и космонавтика.-1979.- Т. 17,- № 5.- С. 81-86.

ют газодинамические характеристики паров после него через температуру поверхности;

3) уравнения кинетики ионизации двухуровневых атомов с учетом расширения газовой области;

4) квазистационарное уравнение переноса излучения, в котором учитывается как поглощение иа резонансном переходе, так и за счет тормозных процессов.

В параграфе 5 на основе построенной модели были проведены численные расчеты испарения и плазмообразования при воздействии нерезонансного УФ излучения на поверхность алюминия в условиях экспериментальной работы5, которые продемонстрировали адекватность модели экспериментальным результатам указанной работы.

В шестом параграфе приведены результаты расчетов воздействия на алюминий лазерного излучения квазирезонансного атомному переходу ЗР|/:- ЗОзд 308 нм), которые продемонстрировали эффективное плазмообразование одновременно с началом воздействия (рис. 8).

Рис. 8. Концентрация электронов п,., атомов в основном состоянии П[ и возбужденном п2 при 10=180 МВт/см2 и длительности импульса т0=1 мкс.

П, см"3

101в-Э

-16

10

12

Пе/

10

-8

10

г7

г, С

Полученные численные и аналитические результаты показали хорошее согласие между собой, что говорит о возможном совместном использовании обеих моделей и их взаимном дополнении.

В результате численных исследований был обнаружен эффект, связанный с экранировкой мишени образующейся плазмой. Заключается он в том, что с увеличением длительности (или интенсивности) импульса начинает сказываться поглощение излучения плазмой, происходит экранировка мишени плазмой. При точном резонансе плазма образуется быстрее и экранировка наступает раньше. Соответственно, нагрев мишени и ее испарение в конце импульса при точном резонансе будет меньше, чем при отстройке от резонанса. В конечном итоге, возникает ситуация, когда концентрация плазмы при отстройке от резонанса к

5 Козеп О.1., МШеМогП., а1 а11. // 1Арр1.РЬу5.-1982.- У.53.- Р. 3190-3200.

15

концу импульса становится выше. чем при точном резонансе (рис. 9). В дальнейшем такое проявление эффекта экранировки было подтверждено в экспериментальных работах6, проведенных для литиевой мишени.

IV см'*

S /2 /

/ / X

/ //

I !/

!

-г

15

Рис. 9. Концентрация электронов пе в зависимости от времени при интенсивности 10= 180 МВт/см" и отстройках от резонанса: 1-0, 2-1 нм, 3-4нм.

25 t, нб

В седьмом параграфе проведено сравнение теории (включая и аналитическую модель и численную) с экспериментальными результатами7 по воздействию на поверхность натрия (А.=575^610 нм) и алюминия (А.=290+ 330 нм), которое показало хорошее согласие между ними. Так, например, в эксперименте по натрию была получена зависимость концентрации электронов от длины волны МС(Х), которая имеет характерный резонансный вид (рис. 10).

Рис.10. Экспериментальная зависимость п,Д) при то=20 не и интенсивностях: 1- 250 МВт/см2, 2- 56 МВт/см2.

6

Bowe P., Conway J„ Dunne P., at all II J. of Appl. Phys.- 1999,- V.86.- P.3002-3009. McCormack Т., О'Sullivan G.// Review of Scientific Instruments.-1999.- V.70 - P.2674-2680.

Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г.//ЖЭТФ.- 1991.- T.53.- С. 290-293. Г'айдаренко Д. 13., Леонов А.Г.//Пиеьма в Ж ТФ.- 1992,- Т. 18,- С.21-24.

Следует отметить, что условия данных экспериментов соответствуют режиму воздействия «короткого» импульса, когда поглощение излучения в плазме незначительно и эффект экранировки проявляться не должен. При этом экспериментально наблюдаемая ширина пика АХ,- 5 нм, а наше теоретическое значение ширины равна АХ,~ 6 нм. Порог образования плазмы: в эксперименте 1э~ 18 МВт/см", теоретический I, ~ 2.0 МВт/см". Аналогично для алюминия получено: ЛА^ 4-^ 5 нм, 5 нм при интенсивности 480 МВт/см2 и т0= 18 не. Соответственно, порог образования плазмы при этой же длительности импульса равен: 1,= 250 МВт/см2,1т = 230 МВт/см2. Таким образом, сопоставление наших теоретических результатов с экспериментальным7 демонстрирует хорошее согласие между ними.

Разработанные модели позволили также прояснить некоторые аспекты физической картины взаимодействия квазирезонансного излучения с мишенью. Так, в частности было установлено, что ширина пика зависимости пс(Х), в основном, определяются длительностью импульса, а не насыщением атомного перехода (как полагали авторы указанных экспериментальных работ7).

Глава 4 посвящена исследованию возможности получения сильнонеиде-альной ультрахолодной (Т<100 К) электрон-ионной плазмы методами лазерного охлаждения ионов. В такой плазме потенциальная энергия межчастичного взаимодействия больше средней кинетической энергии частиц. Отношение этих энергий характеризуется параметром неидеапьности:

е2/а 4т, /<-,-,

Г„ =---> — яа п = 1» а = 1,е, (Ь)

а квТа 3

где Г„- параметр неидеальности ионов (а = 1) или электронов (а = е), е - элементарный заряд, а - радиус ячейки Вигнера-Зейтца, Тп- температура соответствующих частиц, п - концентрация частиц. Несмотря на впечатляющие успехи лазерного охлаждения атомов и ионов, лазерное охлаждение плазмы ранее не рассматривалось. В первом параграфе главы рассматривается охлаждение ионов плазмы в поле монохроматической стоячей электромагнитной волны с амплитудой колебаний Е= Е0соа(ке^г), ориентированной вдоль направления е^ и квазирезонансной квантовому переходу ионов. При этом частота ш поля смещена в красную область относительно резонансной частоты ш>|: ш - ш21= А < 0. В этом случае на ионы действует сила спонтанного радиационного давления, определяемая выражением":

-йк2|У0|2УД = о.5|Уц|2 + (у/2)2 > (9)

[(Д-Ю+ё2Н(Д + ку„)2 + г] где к= со/с -волновое число, |У0| ^с1Е0/Ь - частота Раби, у - скорость спонтанного распада возбужденного иона, Ух - проекция скорости иона V на ось коэффициент трения.

Казанцев А.П.. Сурдутович Г.И. Механическое действие света на атомы. - М.: Наука, 1991.- 190 с.

17

Во втором параграфе исследуется принципиальная возможность получения сильнонеидеальной ионной компоненты плазмы. Для этого рассматривается динамика средних кинетических энергий частиц (ее, е,) при учете лазерного охлаждения ионов и электрон-ионного обмена энергией. Для поддержания температуры электронов на уровне, когда можно пренебречь трехчастичной рекомбинацией используется «подогрев» их слабым СВЧ-полем. В итоге получена следующая система уравнений:

de цс 2т

—- = —--v (е -бЪ

dt N М ei е '

de 2т ,

1Г= M~Vei с_е' Х8''

(10)

где Цс - коэффициент поглощения СВЧ-излучения, 1с - интенсивность СВЧ-излучения, т и М - массы электрона и иона соответственно, уе|- частота электрон-ионных упругих столкновений. В результате анализа решений этой системы показано, что в разреженной плазме (концентрация п< 108см"3) возможно получение сильнонеидеальной (Г;»1) ионной подсистемы, вплоть до условий виг-неровской кристаллизации, когда Г~1709, но при этом электроны остаются сла-бонеидеальными (Ге«1).

Рис. 11. Зависимость Г*тах(а) для

ионов щелочноземельных элементов при оптимальных значениях концентрации и отстройки.

Третий параграф посвящен определению оптимальных параметров лазерного излучения и плазмы (с точки зрения достижения максимальных значений Г;). Исследование проведено на основе предыдущей модели с дополнительным учетом во втором уравнении системы (10) флуктуационного нагрева8 ионов, который определяется выражением:

Af =

№)2y|V0|2|j[2MkB(A2

1-У2/4)J1

(П)

lchimaru S. Strongly coupled plasmas: high-density classical plasmas and degenerate electron liquids. //

Rev Modem Phys , 1982, v. 54. p 1017-1059.

В результате найдены оптимальные значения отстройки охлаждающего излучения и концентрации плазмы для ионов щелочноземельных элементов, позволяющие получать максимальные значения ионного параметра неидеапьности (рис. 11), описываемые выражением:

г;тах - 2- 104Те1/6(ка/у)2/3,а =|У0|/у. (12)

В четвертом параграфе в рамках более сложной модели, учитывающей трехчастичную рекомбинацию и другие элементарные процессы, показано, что лазерное охлаждение плазмы, локализованной в ловушке, представляет собой весьма сложное явление, специфика которого обусловлена низкими энергиями заряженных частиц, воздействием резонансного излучения как на поступательные, так и на внутренние степени свободы частиц.

Рис. 12. Схема основных элементарных процессов, протекающих при охлаждении магниевой плазмы: Кпе- ударные электронные процессы, Япе2 -трехчастичная рекомбинация,

Уп, - автоионизационный распад.

!»!Я| л -

В частности, определено, что процесс трехчастичной рекомбинации с участием низкотемпературных электронов в поле лазерного излучения, возбуждающего 0^= с1) ионы приводит к образованию ридберговских (аг) и автоионизационных (аа) состояний (рис. 12). Распад автоионизационных состояний и сверхупругие столкновения электронов с возбужденными резонансным излучением ионами порождают «горячие» электроны. Беспрепятственный уход этих электронов из ловушки может оказывать существенное влияние на время существования ультрахолодной плазмы.

Указанная специфика протекающих в охлаждаемой плазме элементарных процессов делает возможным использование этого метода (лазерного охлаждения) для создания ридберговских и автоионизационных состояний атомов, изучения процесса рекомбинации в мало исследованной области низких температур и концентраций, а также свойств неидеальной плазмы. В данной постановке задачи охлаждения отсутствует СВЧ- «подогрев» электронов. Но, как оказывается,

\ . У5 :Еи

Е;<Л/

4.43

Кп,

а,

и

й-

I

зр<Ча)в

■ \

с )

тег— * ^ 9 * 1> > У ^ ; 1— яп. мочз<:-?;

Мд^Зв-Хз»

У / / -у/!/. /

. * -7 ;

эту роль может играть рекомбинационный нагрев. На рисунке 13 приведен один из результатов расчетов лазерного охлаждения плазмы.

Как видно из рисунка 13, рекомбинационный нагрев быстро приводит к установлению квазистационарной температуры электронов, при которой этот нагрев достаточен (и не более) для компенсации охлаждения электронов на ионах.

Г;-Ю2;Те-10'1,К; п.-10'3см3

В пятом параграфе указано на возможность замены дискретного распределения слабонеидеальных электронов в пространстве однородным отрицательным фоном. В этом случае нейтральная плазма представляет собой точечно заряженные ионы, погруженные в однородный, компенсирующий их заряд фон. Основанием для такой замены является слабые пространственные межэлектронные и электрон-ионные корреляции, а также высокие (в сравнении с ионами) скорости электронов. Данное описание полностью аналогично хорошо известной модели однокомпонентной плазмы9, что позволяет использовать методы, разработанные для этой модели.

Указанная выше аналогия была применена в параграфе 6 для исследования охлаждения и кристаллизации электрон-ионной плазмы методом броуновской динамики. При этом ионы рассматривались как точечные заряды, движущиеся на однородном нейтрализующем их заряд электронном фоне. Для учета энергообмена между ионами и электронами введена сила трения ионов о фон с коэффициентом равным г) = гпу^ и случайная сила Рг, описываемая как 5- коррелированный гауссовский процесс. Дисперсия последней определяется из условия теплового баланса между ионной и электронной подсистемами при Т; = Те

/рг\ 2 лквте , (13)

\ г / д(

Аналогичным образом вводится и флуктуационный нагрев ионов. В результате моделирования на примере ионов Ве+ показано, что при охлаждении

плазмы в сферическом случае ионы образуют структуру в виде ряда концентрических сфер - «кулоновский шар» (рис. 14). Причем формирование этой структуры может происходить значительно медленнее, чем охлаждение самих ионов, что особенно важно при постановке экспериментов по охлаждению и кристаллизации в нестационарной плазме. На рисунке 15 приведено радиальное распределение плотности ионов при тех же условиях, что и на рисунке 14.

Рис. 14. Установившееся в процессе охлаждения распределение ионов по радиусу области локализации, слева-распределение частиц во внешнем слое при: п= 106 см3, А= - О.бу, а = 0.3, Те= 100 К.

Рис. 15. Функция радиального распределения ионов, установившаяся в ре-результате их охлаждения после завершения кристаллизации (I = 1 мс). На вставке - в момент достижения (1 = 0.15 мс) минимальной температуры

ионов (~ 0.0012 К).

В результате моделирования показано, что для адекватного описания динамики охлаждения плазмы необходим учет (особенно в случае легких ионов) нелинейной зависимости силы лазерного трения от скорости ионов (см. 9).

Одним из перспективных способов создания ультрахолодной плазмы является припороговая фотоионизация глубоко охлажденных атомов. Впервые такие эксперименты на атомах ксенона были выполнены в работе'а В которой, как полагали авторы, должна образовываться сильнонеидеальная плазма с параметрами неидальности Гс~ 30 и Г, > 103. Но, как показано в последующих теорети-

10Kilian Т.С., Kulin S.. Bergeson S.D. et al. // Fhys. Rev. Leu.- 1999,- V. 83.- P. 4776 -4779.

21

ческих работах других авторов, быстрая релаксация распределения частиц к состоянию с минимальной потенциальной энергией приводит к их корреляционному нагреву. Кроме того, увеличению температуры электронов способствует их рекомбинационный нагрев. Несмотря на эти исследования отсутствует простое аналитическое описание этих эффектов.

Анализу этой ситуации и посвящен шестой параграф, в котором при использовании приближений ближайшего соседа и однокомпонентной плазмы дано описание корреляционного нагрева частиц (электронов и ионов) в плазме, создаваемой припороговой фотоионизацией глубоко охлажденных атомов. В ре-

200'

100-

S •/■0-1

20-

« jxio9<"o О, у*

о 2X108< 11p <1X10® / ■

о 110<2K10S

-г- g « О у

О / - llo =109

- И0 = 2X10®

10

100

1000

Рис. 16. Скорость разлета плазмы

У0 для различных начальных

концентраций По (даны в см"3) в зависимости от начальной энергии электронов. Штриховые линии -расчет с использованием выражения (13), точки - экспериментальные данные", сплошная прямая-аппроксимация без учета рекомби-национного нагрева.

зультатс были получены простые и адекватные выражения для температур (параметров неидеальности) электронов и ионов, устанавливающиеся в результате корреляционного нагрева этих частиц. На основе их показано, что в результате корреляционного, а в последующем и рекомбинационного нагрева параметр не-идсальности электронов быстро (1 < 1/со(, где со1 - ионная плазменная частота) падает до значений Гс~ 0.1 независимо от его начального значения Гс0» 1. В частности, для условий11 разлетающейся ультрахолодной плазмы учет рекомбина-

ционного нагрева электронов определяемый полученным в работе выражением ее/кв-[10-5п^1г + (ео/квГ5]°Пв, (14)

хорошо описывает результаты эксперимента" (рис. 16). Здесь у0=(ее/1.7М)1" -скорость" разлета плазменного облака, 1Г - время начала разлета (~3 мке), Ео -начальная кинетическая энергия электронов. Кроме того, обнаружена возмож-

' Vulin S., Kilian Т.е.. Bergesoll S.D., Rolston S.L. //Phys. Rev. Lett.- 2000,- V. 85,- P. 318 - 321.

ность получения сильнонеидеальной элеклронной подсистемы при возбуждении атомов в ридберговские состояния, у которых области локализации внешних электронов соседних атомов перекрываются. Можно ожидать, что наиболее выгодным при этом будет использование упорядоченного (кристаллического) начального распределения атомов. Помимо этого показано, что в результате корреляционного нагрева ионов их параметр неидеальности тоже достаточно быстро (1 ~1/ш;) уменьшается от значений Г10»1 до Гр= 3.3, что хорошо согласуется с экспериментальными данными, приведенными ниже в таблице.

Теоретические и экспериментальные значения температуры ионов

Бг* после корреляционного нагрева ультрахолодной плазмы.

п, см""1 510* 4-10* 1.5109 5.7-10"

Те, К (теор.) 1.4 1.3 0.94 1.46

Т|, К (эксп.) 1.3-1.4 12 0.9-1.2 и 0.9*1.1 м 1.8-2.0 13

В Главе 5 приведены результаты исследований, связанные с разработкой методов локализации ультрахолодной плазмы. Одна из главных идей состоит в удержании ионов плазмы квазирезонансным излучением. При этом уход электронов из плазменного объема может тормозиться электрическим полем, возникающим на внешней границе плазмы за счет разделения зарядов. Область разделения зарядов составляет несколько дебаевских (электронных, если ТС»Т,) радиусов. Если размеры плазменного облака значительно превышают указанный дебаевский радиус, то плазма в подавляющей части объема будет квазинейтральной.

Одним из элементов оптического удержания плазменных ионов может быть, так называемая, «оптическая мембрана» (ОМ), образованная суперпозицией бихроматических лазерных пучков резонансного плазменным ионам излучения и локализованная в узкой пространственной области. Как показано в работе13, при определенных параметрах полей в этой области будут действовать выпрямленные градиентные силы (ВГС)- Рк. В случае ОМ, силовое поле ВГС будет сосредоточено в узкой пространственной области с размерами порядка характерного диаметра лазерных пучков 2Ь и ориентированно (вдоль х) перпендикулярно направлению их распространения (рис. 17). Соответствующий потенциал Ч'(х) этого поля, определяемый ВГС имеет вид сглаженной ступеньки (рис. 18, кривая 1) шириной ~ Ь, высотой и описывается следующими выражениями:

¥(х) = ¥о0(х/Ь), 0(1) = _ 1 Гехр(-т2)с1т <15)

дх у/п *

128шиеп Э.Е., СЬеп У.С., зХ а!1. II РЬуз. Кеу. ЬеИ,- 2004,- V. 92,- Р. 143001 (4 р.). 13 СЬеп У.С., БЫеп Б.Е., аЩУ/ Phys.Rev.Lett., 2004, у.93,р.265003(4р.). МЬаЬа в., СЬеп У.С., а! а!1 И Еиг. РЬуз. 3. О,- 2006,- У.40,- Р.51 -56. 15 Кгавпоу IV. II [.азегРЬув- 1994,- V. 4.- Р.906-921.

В первом пара1рафе приведены результаты исследований эффектов взаимодействия ОМ с ультрахолодной плазмой (рис.18), полученных на основе уравнения Пуассона-Больцмана:

, р(оо) = р(-оо) = 0, (16)

<Д2ср dx2

-4тс

/ \ еф /

псехр -пьехр V

еф

( еф + ч/^

Г-Чад",

где р - плотность заряда, пс, пь, п, - концентрации электронов, нерезонансных и резонансных ионов при х—>• - со; Т„ Тс - температуры ионов и электронов.

П Л А

■I

М А

-Ь о ь

Рис. 18. Распределение потенциалов: 1 - Ч»(х), 2 - для резонансных ионов еф(х) + Ч'(х), 3 - электрического еф(х).

В результате проведенных исследований обнаружен ряд интересных физических эффектов:

а) скачок электрического потенциала на ОМ (рис. 18), который в отсутствии нерезонансных ионов (N0= 0) равен еф = - ТСЧ'0/'(ТС+ Т;);

б) скачок давления (при Ы0= 0 скачок др = р{ехр[-\|/0 / кв (Те )] -1});

в) разделение ионов с коэффициентом Я ~ (П|/пь)'*ехр(- ЧУквТО;

г) образование двойного электрического слоя (разделение зарядов).

Описанные эффекты могут иметь ряд интересных применений. Прежде всего, это регистрация и измерение пондеромоторных сил в резонансном лазер-пом поле, диагностика плазмы, оптоэлектрический спектральный анализ. Данные применения расширяют возможности традиционного оптогальванического метода16 и основаны на достаточно простой зависимости скачка электрического потенциала ОМ от параметров излучения, характеристик плазмы: температуры,

Рис. 17. ОМ в плазме, ¡^-характерная длина плазменного столба: Ь»Ь.

16Очкин В. Н.. Преображенский Н. Г., Соболев И. Н., Шапарев Н. Я. // УФН, 1986, Т. 148, №3, с.47Э-

507.

концентрации электронов и ионов.

Другая сфера возможных применений ОМ, прямо вытекающая из свойств селективности, разделение (обогащение, очистка) ионных компонент плазмы. Причем, к несомненным достоинствам ОМ можно отнести невозможность её механического или химического разрушения и возможность оперативного управления её характеристиками посредством вариации параметров оптических полей.

Скачок давления на ОМ может иметь проявление в виде фотоакустического эффекта (в режиме «включения» - «выключения» оптического поля). К перспективным применениям ОМ в плазме следует отнести лабораторное моделирование двойных электрических слоев. Несомненным достоинством све-тоиндуцированных двойных слоев подобного рода является возможность целенаправленного задания их пространственной структуры. Наконец, рассмотренный фотоэлектрический эффект может лежать в основе нового метода прямого преобразования энергии лазерного излучения в электрическую, где ВГС выступают в роли сторонних сил, создающих ЭДС.

Во втором параграфе представлена принципиальная модель магнитооптической ловушки для удержания разреженной плазмы с резонансными ионами. Она представляет собой цилиндрический канал, заполненный плазмой и погруженный в однородное аксиальное магнитное поле. Это поле препятствует уходу заряженных частиц в перпендикулярном оси канала направлении. С торцов канал замкнут двумя ОМ, с направлением сил внутрь цилиндра, которые препятствуют уходу резонансных ионов в продольном направлении. Показано, что время удержания плазмы может значительно превышать времена ее охлаждения и структуризации. Например, для ультрахолодной плазмы с Те= Т;= 10 К, п= Ю6 см"3 и атомной массой иона А,= 100, при длине ловушки Ь= 100 см и Ч/0/кв= 100 К получено время удержания т^ 0.3 с.

В Главе 6 также рассматривается воздействие импульсного (с длительностью тр ~ 10 пс 10 не) лазерного излучения на резонансные частицы. Но в отличие от предыдущих глав таковыми являются металлические (серебрянные) наночастицы, имеющие нлазмонный резонанс.

Кроме того, еще одним важным отличием является то, что изначально взаимодействие между ними весьма значительное: они образуют пару связанных сферических наночастиц (димер), покрытых полимерным адсорбционным слоем и находящихся в водной среде (рис. 19). Такая пара частиц является простейшим

наноагрегатом, присутствующим в коллоидах металлов или частью (доменом) большого фрактального агрегата наночастиц.

В первом параграфе строится модель димера, учитывающая, как взаимодействие частиц между собой, так и их взаимодействие с падающим на них линейно-поляризованной (вектор электрического поля Е параллелен оси димера х) плоской электромагнитной волной (лазерное излучение).

В отсутствии лазерного излучения взаимодействие частиц определяется следующими силами (рис.19): Ван дер Ваальса FH; упругости Fy, возникающей при контакте и деформации полимерных слоев и электростатической F3, проявляющейся в условиях, когда межчастичной средой является электролит. В поле лазерного излучения частицы поляризуются, что приводит к их дополнительному взаимодействию: на каждую частицу начинает действовать поляризационно-индуцированная сила Fcm , которая определяется выражением: clU„„ .. 2л.

F =--

cm

dh

Uem =-—I-Re[(ad(cah)-2a0(co)],

(17)

где ист - энергия взаимодействия поляризованных частиц, I и ш - интенсивность и частота лазерного излучения, с^ - поляризуемость димера, Оо- поляризуемость отдельной наночастицы. Впервые описание этой силы и указание на ее важную на се важную роль во взаимодействии наночастиц было представлено в работе17.

Кроме того, поглощение лазерного излучения приводит к нагреву частиц (в первую очередь их электронной подсистемы) и окружающей среды. Сечение поглощения ал излучения также выражается через поляризуемость димера:

CTd =4A^2Im[cxd(co)],

(18)

где еП1- относительная диэлектрическая проницаемость среды (на частоте (о). Для определения а^ использовался спектр поглощения димера, рассчитанный в муль-типольном приближении для серебряных наночастиц одинакового радиуса г = 10 нм при различных межчастичных зазорах И (рис. 20). При этом спектр димера хорошо описывается суммой двух лоренцовских контуров, параметры которых и определяются из этого спектра.

0-5 0,6 X. мкм

Рис. 20. Спектр поглощения димера серебряных наночастиц в зависимости от величины Ь межчастичного зазора (дана в нм).

Claro F., Rojas R. // Appl. Phys. Lett.- 1994,- V. 65,- P. 2743-2746.

Поглощение излучения димером приводит к нагреву наночастиц и окружающей среды (включая и ПС) за счет теплопередачи. В свою очередь, при нагреве полимерного слоя уменьшается его модуль упругости (слой «плавится»), что приводит к уменьшению силы упругости, препятствующей сближению частиц. Кроме того, принимается во внимание, что нагрев среды (воды) приводит и к изменению ее вязкости и характеристик двойного электрического слоя, окружающего частицы в электролите.

Значимым фактором для этих изменений является учет конечности скорости релаксации ПС. То есть при значительном его нагреве в течении малой длительности импульса модуль упругости не успевает достичь своего равновесного значения, соответствующего температуре слоя. В работе впервые предложено для описания изменения модуля упругости Ес! использование уравнения кинетики:

^ = -угЕс„ уг=т-'ехр(иг/кТ). (19)

где частота тепловых флуктуаций, приводящих к разрыву узла полимерной сетки, и( - энергия связи молекул в узлах, т0 ~ 10'12-^ 10"" с - характерное время тепловых флуктуаций в жидкости.

В результате анализа приведенных взаимодействий вырисовывается следующая физическая картина взаимодействия димера с лазерным излучением. До включения излучения частицы в димере находятся в равновесии под действиием Ван-дер-Ваальсовых, упругих и электростатических сил. При включении лазерного излучения возникает поляризационно-индуцированная сила, действие которой в зависимости от отстройки может быть направлено как на уменьшение межчастичного зазора, так и на его увеличение. Поглощение излучения димером приводит к нагреву частиц и окружающей среды, вследствие этого уменьшается вязкость среды и упругость полимерного слоя. Уменьшение упругих сил, компенсирующих силы Ван дер Ваальса может привести к сближению частиц (вплоть до полного контакта их поверхностей). В свою очередь, изменение межчастичного зазора приводит к изменению спектра поглощения (оптических характеристик) димера и, соответственно, меняется и взаимодействие лазерного излучения с димером. Таким образом, этот процесс изменения структуры димера и его оптических характеристик под действием лазерного излучения (процесс его фотомодификации) носит существенно нелинейный характер.

Описание фотомодификации димера в виде системы обыкновенных нелинейных уравнений приводится во втором параграфе главы. В систему включены: уравнение изменения Ь; уравнение движения наночастиц друг относительно друга, учитывающее все вышеперечисленные силы; уравнение для температуры электронной подсистемы частиц с учетом нагрева излучением и теплообмена с ионной решеткой; уравнение для температуры ионной решетки, нагреваемой за счет энергообмена с электронами и охлаждаемой теплоотдачей в окружающую среду; уравнение (18), описывающее изменение модуля упругости ПС в процессе нагрева.

Во втором параграфе приведены некоторые результаты численных расчетов динамики (h(t), Tc(t), Ti(t), Ecl(t)) фотомодификации димера, полученные при решении системы уравнений. Эти расчеты были проведены для различных длительностей, интенсивностей и частот лазерного излучения, а также различных начальных значений межчастичной щели h0.

Несмотря на определенные ограничения нашей модели, она позволила установить ряд принципиальных закономерностей процесса фотомодификации димера, а если рассматривать димер как аналог резонансного домена, то и - фотомодификации фрактального агрегата через изменение структуры его резонансных доменов.

В частности, из полученных результатов следует, что фотомодификация димероз с малым (< 2-КЗ нм) начальным зазором (резонансы сдвинуты в низкочастотную область спектра) под действием квазирезонансного излучения, в основном, обусловлена уменьшением расстояния между частицами и, соответственно, дальнейшим сдвигом резонансов в длинноволновую область.

В случае же больших начальных межчастичных зазоров (толстых полимерных слоев), когда резонансы находятся в относительно высокочастотной области (более близкими к плазмонному резонансу одиночных частиц), относительные сдвиги частиц в домене незначительны даже при достижении высокой температуры частиц. Поэтому можно предположить, что основное изменение в домене будет связано с изменением размеров (испарением) его частиц вплоть до их исчезновения, а возможно и образования плазмы.

Отсюда следует, что природа порога фотомодификации как димеров, так и агрегатов наночастиц в разных областях спектра может быть различной: при малых межчастичных зазорах она обусловлена сдвигом частиц, при больших - изменением размеров и, возможно, исчезновением частиц. Однако в целом картина не так однозначна. Например, в случае малого зазора, но большой интенсивности, преобладающую роль могут играть поляризационно-индуцированные силы. И в зависимости от отстройки от резонанса они могут приводить как к притяжению частиц, так и к их расталкиванию.

Еще одна важная особенность, обнаруженная нами при малых начальных значениях межчастичных зазоров, - это асимметрия относительно исходной резонансной частоты димера его спектральной области коллапса (частоты излучения, вызывающего коллапс димера) (рис. 21). Провал по h означает, что в этой области частот лазерного излучения к концу импульса происходит сдвиг частиц до их полного контакта. Наблюдающаяся при этом асимметрия (относительно £2ш) частотной области, где это происходит объясняется следующим образом. Если частота лазера со < Поь то с началом нагрева ПС начинает «плавиться» и зазор начинает уменьшаться. С уменьшением зазора резонансный пик сдвигается (см. рис. 20) в низкочастотную область - поглощение излучения растет, что приводит к усилению нагрева и, в конечном счете, к ускорению «схлопывания» димера.

Рис. 21. Зависимости температуры и величины зазора Ь в конце импульса от частоты лазерного излучения со при начальном значении Ьо= 2 нм, тр= 10 не и I = 106 Вт/см2. Здесь а(ш) - начальная линия поглощения длинноволновой части спектра димера, а соответствующая резонансная частота.

То есть, осуществляется положительная обратная связь между излучением и реакцией димера. В случае ш > с поглощением излучения также начинается сдвиг резонанса в низкочастотную область, но теперь это приводит к уменьшению поглощения излучения, вплоть до прекращения нагрева и дальнейшего «схлопывания» димера - реализуется отрицательная обратная связь.

В применении к агрегатам, содержащими множественный набор таких ди-меров с различными межчастичными расстояниями и, соответственно, различными спектрами, проявление указанного механизма будет выражаться в виде провала в суммарном спектре агрегата, сдвинутого в коротковолновую сторону относительно частоты лазерного излучения (рис. 22). Это весьма важный результат, поскольку выявляемая асимметрия положения провала, возникающая за время действия лазерного импульса, может стать одной из основных причин отрицательной нелинейной рефракции гидрозолей серебра, которая наблюдалась в экспериментах (см. 18) при воздействии излучением с X = 1.064 мкм. В случае воздействия коротким пикосекундным лазерным импульсом сближение частиц димера оказывается значительно меньшим, или оно вовсе отсутствует (например, при низкой интенсивности, приближающейся к пороговым значениям).

Рис. 22. Схема появления асимметричного провала в спектре агрегата: а) набор спектральных линий различных димеров; б) провал в суммарном спектре агрегата.

<4

о",

О-В

^ Л 2 ~ 1 ' л 3 ; \ /|\ д. — а) 4 Л \ ' > ' V V

1 1 - Ш

0.45 0.5 Ли.0.55 0.6 --Х,мкм

8 Карпов С.В., Слабко В.В. Оптические и фотофизические свойства фрактально-структурированных золей металлов,- Новосибирск, изл-во СО РАН, 2003.- 265 с.

Таким образом, выполненный анализ показывает, что оптические характеристики резонансного домена фрактального агрегата при условиях, близких к экспериментальным динамически изменяются за время действия лазерного импульса, что порождает нелинейность оптического отклика системы и проявляет себя при разнообразных нелинейно-оптических процессах в импульсных лазерных полях18.

Несмотря на то, что данная модель, как показали расчеты, является недостаточно полной, она позволяет определить роль основных факторов и оценить необходимость их учета. Например, достижение высоких температур частиц даже при умеренных интенсивностях излучения возникает вопрос о необходимости учета их частичного или полного испарения. Высокие температуры электронов убеждают в необходимости учета их термоэмиссии. Что касается свойств полимерного адсорбционного слоя частиц, то полученные результаты диктуют необходимость учета его неоднородности (возрастания по толщине в направлении поверхности частицы модуля упругости адсорбционного полимерного слоя).

Совершенно очевидно, что предложенная модель требует, а главное, позволяет свое дальнейшее улучшение и развитие для более адекватного описания процесса локальной модификации агрегатов металлических наночастиц и порождаемых ей широкого спектра нелинейно-оптических явлений. Следует подчеркнуть, что обнаруженные процессы оказывают неизбежное влияние на все нелинейно-оптические и фотофизические явления, исследованные к настоящему времени, физическая природа которых оставалась невыясненной.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Предложена математическая модель резонансного оптического разряда в парах металлов. На основе ее проведены исследования кинетики плазмообразо-вания и предсказаны эффекты: возникновение колебаний параметров плазмы и образование «переохлажденных» электронов. Проведено детальное исследование проявления эффектов ионизационного просветления и потемнения газа при распространении резонансного излучения. Предложен способ разделения изотопов в плазме резонансного оптического разряда.

2. Построена теория резонансного оптического разряда на возбужденных состояниях атомов. На ее основе показана возможность эффективного поддержания плазмы инфракрасным или оптическим резонансным излучением в газах с атомами, потенциал ионизации которых значительно превышает энергию фотона лазерного излучения.

3. Создана модель (аналитическая и численная) воздействия на поверхность металла лазерного излучения с частотой, резонансной квантовому переходу атомов паров этого металла. Проведено сравнение с результатами экспериментальных работ, продемонстрировавшее адекватность модели. Обнаружен эффект снижения экранировки мишени плазмой с ростом отстройки частоты лазерного излучения от резонанса, который позже подтвержден в экспериментах других авторов.

4. Предложен способ создания ультрахолодной сильнонеидеапьной электрон-ионной плазмы, основанный на использовании методов лазерного охлаждения. Показана принципиальная возможность достижения таким способом условий вигнеровской кристаллизации плазмы. Установлены процессы, сопутствующие охлаждению и кристаллизации ионной подсистемы: образование ридбер-говских атомов и автоионизационных состояний, запаздывание кристаллизации ионной подсистемы относительно ее охлаждения.

5. Исследовано взаимодействие электрон-ионной плазмы с «оптической мембраной» и предсказано возникновение: скачков электрического потенциала и давления, двойного электрического слоя, разделения резонансных и нерезонансных ионов. Предложена схема плазменной магнито-оптической ловушки, использующая «оптическую мембрану».

6. Построена комплексная математическая модель и проведены исследования воздействия лазерного излучения на связанную пару плазмонньгх наночастиц (димер). Предсказан эффект, заключающийся в асимметрии провала относительно частоты лазерного излучения, «выжигаемого» этим излучением в спектре многочастичного агрегата плазмонно-резонансных наночастиц. Основные публикации по материалам диссертации:

1. Gavrilyuk А.Р., Shaparev. N.Ya.Ionization-induced gas transparency in the resonance electromagnetic field.//Opt. Commun.-1981.- V.39.- №6,- P.379-383.

2. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я.Ионизационное просветление и потемнение газа в резонансном поле,- Красноярск, 1982,- 34с. (Препринт ВЦ СО АН СССР: №17).

3. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я.Ионизация газа в резонансном оптическом поле. Ч. 1.- Красноярск, 1986,- 36 с. (Препринт ВЦ СО АН СССР: №15).

4. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я.Ионизация газа в резонансном оптическом поле. 4.IL- Красноярск, 1987,- 36 с. (Препринт ВЦ СО АН СССР: №13).

5. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд на возбужденных атомах.//ЖТФ,- 1988,- Т. 58,- № 5,- С.959-961.

6. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Колебания натриевой плазмы резонансного разряда //Физика плазмы,- 1988.- Т. 54,- № 8,- С.1008-1010.

7. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я., Якубайлик О.Э.Моделирование воздействия импульса УФ излучения на поверхность алюминия.- Красноярск, 1991.- 32 с. (Препринт ВЦ СО АН СССР: №7).

8. Гаврилюк А.П. Резонансный оптический разряд как эффективный способ создания переохлажденной плазмы.//ЖТФ.- 1993.-Т. 63.-№2.-С. 171-175.

9. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд на поверхности

металла. Аналитическая модель. // ЖТФ.- 1993,- Т. 63,- № 6.- С.1-9.

10.Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Якубайлик О.Э.Образование плазмы при взаимодействии резонансного лазерного излучения с поверхностью. 4.1. Алюминий. // Квант, электроника,- 1993.- Т. 20,- № 8.- С. 828-832.

11 .Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я.Резонансный оптический разряд на возбужденных атомах в азоте.// Квант, электроника,- 1993,- Т. 20.- № 9.- С. 859-862.

12.Gavrilyuk A.P., Shaparev. N.Ya, Yakubailik O.E. Simulation of UV radiation impulse cooling to aluminum surface in vacuum.// High Power, Laser, and Particle Beams.- 1994,- V. 6,- P.91 -98.

13.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev. N.Ya. Laser optical trap for a low temperature plasma // Reports of first Russian-Chinese seminar on Laser Physics and Laser Technology, Krasnoyarsk, Russia, 1993, p. 47-48.

14.Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya. Yakubailik O.E.Resonance optical discharge on the metal surface.// Reports of first Russian-Chinese seminar on Laser Physics and Laser Technology, Krasnoyarsk, Russia, 1993, p. 54-59.

15.Гаврилюк А.П. Аналитические оценки температуры электронов и кинетики ионизации газа в резонансном поле.// ТВТ.- 1995.- Т.ЗЗ.- № 1,- С. 144-147.

16.Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев Н.Я.Оптическое удержание низко температурной плазмы с резонансными ионами.// Письма в ЖЭТФ,- 1996.Т. 63,-№5,- С.316-321.

17.Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев Н.Я.Лазерные воздействия -эффективный метод управления состоянием вещества.//Актуапьные проблемы информатики, прикладной матем. и механики. 4.II, математическое моделирование. Изд-во СО РАН, 1996, с.38-53.

18.Gavrilyuk А.Р., Krasnov l.V. Shaparev N.Ya.Laser confinement of resonance plasma.// Proceedings of the Second Chinese- Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology, July 14-17, Harbin, China, 1995, p.15-16.

19.Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya. Yakubailik O.E. Resonance laser plasma on sodium surface.// Proceedings of the Second Chinese- Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology, July 14-17, Harbin, China, 1995, p.17-19.

20.Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya. Yakubailik O.E.Analytical model of resonance laser plasma on metal surface.// Proceedings of the Second Chinese- Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology, July 14-17, Harbin, China, 1995, p. 22-24.

21.Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я.Селективная оптическая ловушка для низкотемпературной плазмы.// Известия вузов. Физика.-1996.- №1.

С. 96-103.

22.Gavrilyuk А.Р., Krasnov l.V. Shaparev N.Ya.Magnetic-optical trap and its application.// Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology. Krasnoyarsk, 1996, p. 8-9.

23.Gavrilyuk A.P., Krasnov l.V. Shaparev N.Ya., Trapeznikov Yu.Optical membrane in plasma.// Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology. Krasnoyarsk, 1996, p. 68-69.

24.Gavrilyuk A.P., Krasnov l.V. Shaparev N.Ya., Shishkin S.A.How can plasma be cooled by light? // Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology. Krasnoyarsk, 1996, p. 70-72.

25.Gavrilyuk A.P., Krasnov l.V. Shaparev N.Ya., Shishkin S.A. Ultracold plasma controlled by electromagnetic radiation.// Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology. Krasnoyarsk, 1996, p. 73-74.

26.Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Лазерное управление состоянием плазмы в селективной оптической ловушке.// Письма в ЖТФ.-1997.- Т. 23.-№ 2,- С. 28-32.

27.Gavrilyuk А.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya. Laser cooling and Wigner crystallization of rarefied plasma.// Proceedings of SPIE.-I997.- V. 3485.- P. 142-151.

28.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya.Laser cooling and Wigner crystallization of resonant plasma in magneto-optical trap.// Proceedings of the Second International Symposium on Modem Problems of Laser Physics. (MPLP97), No-vosib., 1997, p. 317-325.

29.Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Трапезников Ю. Эффекты взаимодействия оптической мембраны с плазмой.// Известия вузов. Физика.-1998,-№6,- С.9-14.

30.Gawilyuk А.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya.Wigner crystallization of resonant plasma due to laser radiation action.// The proceedings of the 4-th Sino-Russian-Korean Symposium on Laser Physics and Laser Technology. Harbin, China, 1998, p. 19-20.

31 .Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya.Laser Cooling and Wigner Crystallization of Rarefied Plasma // Physics of Vibration.-1998 - V.6.- Is. 1.- P.67-74.

32.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya.Laser cooling and Wigner crystallization of resonant plasma in magneto-optical trap // Laser Physics.- 1998.- V. 8.-P.653-656.

33.Гаврилкж А.П., Краснов И.В. Полютов СП. Шапарев Н.Я.Резонансные лазерные воздействия - эффективный метод управления состоянием газа и плазмы // Известия вузов. Физика.- 1999,- № 8,- С. 96-105.

34.Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya.Laser cooling of rarefied plasma with resonant ions.// The proceedings of the 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Phys. and Technol., Tomsk, Publishing Tomsk State Univer., p.6, Oct., 2000.

35.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya. Laser cooling of a recombining electron-ion plasma.// Proceedings the 6-th Intemat. Symposium on Laser Physics and Laser Technology, 18-24 August 2002, Harbin, China, P. 1-7.

36.Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Лазерное охлаждение рекомби-нирующей электрон-ионной плазмы // Письма в ЖЭТФ.- 2002.- Т. 76.- №7.-С. 497-502.

37.Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Моделирование и оптимизация управляющих лазерных воздействий.//Вычислительные технологии.-2004,- Т.9.- С.44-52.

38.Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V. Shaparev N.Ya. Light-induced ultracold plasma //Laser Physics.- 2005.- V.15.- Iss.7.- P. 1102-1108.

39.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Ultracold laser plasma // Proceedings the 8-th Intemat. Symposium on Laser Physics and Laser Technology, 1015 August 2006, Harbin, China, P. 1-4.

40.GavriIyuk A.P., Kaq^ov S.V. The model of resonant domain of metal nanopaiticle aggregates in palsed laser fields.// Proceeding of SPIE, 2007,v.6728, 67281T(12p.).

41.Гаврилюк А.П., Карпов С.В. Взаимодействие резонансных доменов агрегатов металлических частиц с импульсным лазерным излучением.// Материалы 6-ой Всероссийской школы-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении». Март, 2007, Воронеж, с. 45-46.

42.Гаврилюк А.П., Карпов С.В. Процессы в резонансных доменах агрегатов металлических наночастиц и происхождение оптической нелинейности агрегатов в импульсных лазерных полях.// Тезисы 2-ой Всероссийской конференции НАНО-2007. Март, 2007, с. 450.

43.Krasnov I.V., Gavrilyuk А.Р. Non-ideality limit of ultracold laser plasma. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.- 2008,- V.4L- Iss.12.- P. 125301 (4pp.).

44.Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V. Maximum non-ideality of ultracold laser plasma // Proceedings of the 9-lh Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies. Tomsk, Russia, October 26-31, 2008, p. 15-18.

45.Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев Н.Я. Моделирование и диагностика ультрахолодной лазерной плазмы.// Вычислительные технологии.- 2009,- №6,- С.29-33.

46.Gavrilyuk А.Р., Karpov S.V.Processes in resonant domains of metal nanoparticle aggregates and optical nonlinearity of aggregates in pulsed laser fields.// Applied Physics В.- 2009,- V.97, Iss.l.- P. 163-172.

47.Gavrilyuk A.P., Isaev I.L., Karpov S.V., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Brownian Dynamic of Laser Cooling and Crystallization of Electron-ion Plasma.// Phys. Rev.E.- 2009.- V.80.- Iss.5.- P.056404 (6pp.).

48.Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. Dynamic changes of optical characteristics of resonant domains in metal nanoparticle aggregates under pulsed laser fields.// Applied Physics В.- 2011,- V.102.- Iss.l.- P.65-72.

49.Gavrilyuk A.P. Correlation and recombination heating in an ultracold plasma. Analitic estimations.//arXiv: 1107.5904.- 2011. - Юр.

Подписано в печать 01.03.2012 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ №24 Отпечатано в типографии института физики СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, ИФ СО РАН

с

м - : 0 021

1 2 Г

2012099961

2012099961

Введение.

Глава 1. Резонансный оптический разряд (POP).п

1.1 Радиационно-столкновительная модель.

1.2 Кинетика ионизации паров натрия и цезия.

1.3 Колебания в плазме резонансного оптического разряда.

1.4 Резонансный оптический разряд как эффективный способ создания переохлажденной плазмы.

1.5 Использование POP для разделения изотопов.

1.6 Ионизационное просветление и потемнение газа.

1.6.1 Распространение излучения в стационарном случае.

1.6.2 Динамика распространения излучения при ионизации газа.

Выводы.

Глава 2. Резонансный оптический разряд на переходах мевду возбужденными состояниями атома.

2.1 Плазма в поле непрерывного излучения, резонансного переходу между возбужденными состояниями атома.

2.2 Поддержание плазмы импульсно-периодическим лазерным излучением.

2.3 Резонансный оптический разряд на возбужденных атомах в азоте.

Выводы.

Глава 3. Образование плазмы при воздействии квазирезонансного излучения на поверхность металла.

3.1 Образование плазмы в квазистационарном режиме при насыщении резонансного перехода.

3.2 Образование плазмы в квазистационарном режиме в отсутствии насыщения резонансного перехода.

3.3 Образование плазмы при действии короткого импульса.

3.4 Математическая модель образования плазмы.

3.5 Воздействие нерезонансного ультрафиолетового излучения на поверхность алюминия.

3.6 Воздействие резонансного излучения на поверхность алюминия.

3.7 Сравнение с эксперименталными результатами.

Выводы.

Глава 4. Лазерное охлаждение плазмы с резонансными ионами.

4.1 Лазерное охлаждение ионов.

4.2 Лазерное охлаждение плазменных ионов в присутствии "греющего" электроны СВЧ излучения.

4.3 Оптимальные условия лазерного охлаждения.

4.4 Лазерное охлаждение разреженной плазмы с учетом рекомбинации и других элементарных процессов.

4.5 Приближение однокомпонентной плазмы (ОКП) и вигнеровская кристаллизация.

4.6 Броуновская динамика электрон-ионной плазмы, охлаждаемой лазерным излучением.

4.6.1 Кулоновское взаимодействие.

4.6.2 Тепловое взаимодействие ионов с фоном.

4.6.3 Взаимодействие со световым полем: сила спонтанного светового давления.

4.6.4 Флуктуационный нагрев.

4.7.5 Результаты.

4.7 Корреляционный и рекомбинационный нагрев в ультрахолодной плазме.

4.6.1 Корреляционный и рекомбинационный нагрев электронов.

4.6.2 Корреляционный нагрев ионов.

Выводы.

Глава 5. «Оптическая мембрана» в ультрахолодной плазме: эффекты и применение.

5.1 Взаимодействие «оптической мембраны» (ОМ) с плазмой.

5.1.1 Структура и основные свойства ОМ.

5.1.2 Оптоэлектрический эффект.

5.1.3 Светоиндуцированный «осмос».

5.1.4 Эффект разделения ионов.

5.1.5 Двойной слой, индуцированный ОМ.

5.2. Магнитооптическая ловушка для УП.

Выводы.

Глава 6. Процессы в резонансных доменах агрегатов металлических наночастиц и модификация оптических спектров агрегатов в импульсных лазерных полях.

6.1 Модель резонансного домена наноагрегата во внешнем поле.

6.1.1 Взаимодействие с излучением.

6.1.2 Упругое взаимодействие.

6.1.3 Электростатическое взаимодействие.

6.1.4 Взаимодействие Ван-дер-Ваальса.

6.1.5 Сила вязкого трения.

6.1.6 Нагрев частиц с учетом теплоотдачи в окружающую среду.

6.2 Уравнения кинетики димера в процессе фотомодификации.

6.3 Результаты численных расчетов.

6.3.1 Влияние отстройки от резонансной частоты на динамику характеристик димера.

6.3.2 Влияние интенсивности (длительности) импульсного излучения на динамику характеристик димера.

6.4 Характеристики димера, формируемые лазерным импульсом, их зависимость от начального состояния и параметров излучения.

6.4.1 Причины ассиметрии и ее влияние на спектр агрегата.

Выводы.

Прогресс, достигнутый за последнее время в области лазерной спектроскопии, обработки материалов, генерации плазмы, термохимии, разделения изотопов и фотохимии, убедительно доказали, что лазерное излучение весьма гибкое управляющее средство, которое позволяет изменять как макроскопическое, так и микроскопическое состояние объектов. Предпосылкой этого является его способность эффективно и избирательно возбуждать различные степени свободы физической системы. Принцип эффективного селективного лазерного воздействия практически можно реализовать, используя явление оптического резонанса. При этом эффект лазерного воздействия оказывается очень чувствительным к характеристикам самого излучения. Сложность и сильная неравновесность процессов, индуцированных резонансными лазерными полями, обуславливают необходимость применения методов прикладной математики и численного моделирования для адекватного описания и понимания возможностей управления состоянием вещества с помощью лазерного света.

Условно можно выделить два направления взаимодействия резонансного лазерного излучения с веществом. Первое - воздействие на внутренние степени свободы микрочастиц (возбуждение атомов, ионов и коллективных мод агрегатов наночастиц), обусловленное передачей энергии фотона. Второе - воздействие на поступательные степени свободы, обусловленное передачей импульса фотона атому или иону. Конечно, и передача энергии, и передача импульса происходят одновременно, то есть оба направления являются двумя сторонами одного и того же явления - поглощение (испускание) фотона атомом. Тем не менее, в условиях плотных и относительно горячих сред (газ, плазма) или массивных микрочастиц передачей импульса можно пренебречь вследствие его малости в сравнении с другими процессами обмена импульсом. В то же время в условиях разреженных сред холодных (ультрахолодных) частиц роль этого процесса может быть решающей.

Рассмотрим сначала задачи первого направления. Одной из таких важных как для науки, так и для техники, следует отнести задачу получения плазмы в поле лазерного излучения.

Возможность образования плазмы при лазерном воздействии позволяет значительно расширить область применения лазеров: создание оптического плазмотрона [I], получение инверсных сред [2], образование плазменных каналов для транспортировки заряженных частиц в проблеме управляемого термоядерного синтеза [3].

Наряду с изучением процесса образования плазмы в лазерном поле важным является и исследование взаимодействия излучения при распространении его через плазменную среду, что имеет место при обработке материалов [4], использовании плазмы в лазерах [5,6], в задачах о передаче энергии излучения [7,8].

Ещё в начальный период развития лазерной техники появились работы, продемонстрировавшие возможность образования плазмы при воздействии лазерного излучения на газовые среды [9]. В настоящее время существует уже много экспериментов по образованию плазмы в поле нерезонансного оптического излучения [10]. В основном, создана теория этого явления [11]. Главным механизмом при этом является многофотонная ионизация или лавинная ионизация электронами, нагреваемыми за счёт тормозных процессов. В обоих случаях необходимы достаточно высокие интенсивности излучения (>10б Вт-см"2).

В последующем начались исследования по генерации плазмы в резонансном поле. Связано это с тем обстоятельством, что коэффициент поглощения в этом случае значительно выше и поэтому образование плазмы возможно при меньших интенсивностях излучения. Существуют различные механизмы, которые приводят к образованию плазмы: ассоциативная ионизация, ионизация при столкновении атома с возбуждённым атомом, пеннинговская ионизация, фотоионизация из возбужденного состояния [12]. Достаточно подробный обзор работ по созданию плазмы при воздействии резонансного излучения и проявлению указанных механизмов приведён в книге [13].

Первым экспериментом, продемонстрировавшим образование плазмы при облучении паров натрия резонансным излучением был эксперимент, выполненный Лукаторто и Маклразом в 1976 г. [14] . Результаты эксперимента удалось объяснить позже на основе теории резонансного оптического разряда (POP) [15-18]. В основе этой теории лежит нагрев электронов при взаимодействии их с возбуждёнными резонансным излучением атомами, идущий по схеме:

А* +е"(е) A + e"(s + E12) где А и А* - нормальный и возбужденный атом, - энергия резонансного перехода. В результате, за счёт сверхупругих столкновений электронов с возбуждёнными атомами, происходит нагрев первоначальных электронов, которые затем вызывают дальнейшую лавинную ионизацию газа. Начальная же концентрация электронов может образоваться в результате ассоциативной или многофотонной ионизации. Вслед за первым экспериментом последовал ещё ряд [19-24] , которые охватывали диапазон концентраций газа 1013 -1016 см-3. Результаты этих экспериментов также удаётся объяснить на основе механизма сверхупругого нагрева. Эти работы, а также проведённые в [25] численные расчёты с использованием радиационно-столкновительной модели выявили такие особенности POP, как высокая степень ионизации и небольшая температура электронов при использовании малых интенсивиостей излучения ( > 1 Вт • см-2).

Следует отметить ещё один механизм нагрева электронов, рассматриваемый в работах [26, 27] и заключающийся в резонансном характере тормозного поглощения при совпадении частоты излучения с частотой какого-либо перехода в атоме. Хотя на наш взгляд, роль его в образовании плазмы обычно значительно меньше сверхупругого нагрева, тем не менее, существуют условия [27] когда он может конкурировать с последним.

В результате воздействия резонансного излучения, газ ионизуется и изменение агрегатного состояния естественным образом должно повлиять на распространение самого излучения. В работах [21,25] продемонстрирован сам факт влияния ионизации на прохождение импульса резонансного излучения в газе, но не были исследованы механизмы и специфические особенности обратного воздействия на распространение излучения. Впервые это было сделано в работе [26], где указано на возможность и условия появления новых нелинейных оптических эффектов: ионизационного просветления и потемнения газа.

Малый порог необходимой интенсивности излучения, высокая концентрация электронов и большая скорость образования плазмы POP делают его привлекательным для использования в технических целях. В частности, в работах [29, 30] показана перспективность применения механизма, лежащего в основе POP, для создания плазменных каналов, использование которых предлагается в проблеме управляемого термоядерного синтеза. В работах этих же авторов [31, 32] предлагается также использовать его как способ быстрого преобразования лучистой энергии в тепловую.

Наряду с указанным способом генерации плазмы, существует также возможность образования плазмы при воздействии резонансного излучения на возбуждённые атомы. В ряде работ было показано возникновение плазмы в подобных условиях [33-35]. При этом заселённость нижнего возбуждённого состояния обеспечивалась этим же излучением вследствие эквидистантности уровней [36] или посредством возбуждения молекул с последующей их диссоциацией на атомы [33, 34], или обоими вместе [35]. То есть во всех этих случаях возможность образования и поддержания плазмы, обусловлена спецификой структуры атомов и молекул. Поэтому определенный интерес представляет альтернативный способ, который заключается в том, что заселённость нижнего состояния обеспечивается возбуждением атомов из основного состояния электронами. При этом энергия, теряемая электронами на возбуждение атомов, возмещается сверхупругим нагревом при столкновении их с атомами, возбуждёнными уже резонансным излучением из этого состояния.

Логическим продолжением работ по исследованию образования плазмы и ее взаимодействию с резонансным лазерным излучением при воздействии последнего на газовые среды является постановка задачи о воздействии на поверхность металла лазерного излучения, резонансного квантовому переходу атомов металла, возникающих при паробразовании.

Несмотря на обилие работ [см. в 37, 38] по исследованию воздействия мощного (105 -109 Вт/см-2) лазерного излучения на поверхность металла, такая постановка ранее не рассматривалась. Впервые она предложена в работе [39].

Первые экспериментальные работы, проведенные на примере алюминиевой и натриевой мишени [40, 41] показали резонансный характер зависимости концентрации электронов от частоты излучения: при точном резонансе излучения с атомным квантовым переходом заметно снижается порог образования (по интенсивности излучения) плазмы. Но это справедливо только при воздействии короткого импульса, когда поглощение излучения в парах и образующейся плазме невелико. С увеличением энергии импульса растет концентрация паров и ситуация может кардинально измениться. Например, в работах [42, 43]., где исследовалось воздействие резонансного излучения на мишень из лития было обнаружено появление провала (при точном резонансе) на кривой зависимости концентрации электронов от частоты лазерного излучения. Применительно к условиям эксперимента [40] в работе [44] была описана кинетика ионизации паров натрия в поле квазирезонансного излучения, которая показала удовлетворительное согласие с результатами эксперимента. Правда, задача нагрева и испарения мишени в рамках этой модели не рассматривалась, а изменение концентрации паров было взято из данного эксперимента [40].

Еще одной важной задачей первого направления является исследование взаимодействия лазерного излучения с частицами и их агрегатами (наночастицами), имеющими плазмонный резонанс. В настоящее время эти исследования приобрели особую актуальность. В частности, это связано с обнаружением у агрегатов коллоидных частиц весьма необычных оптических, нелинейно-оптических и фотофизических свойств [45]. Это делает весьма перспективным использование агрегированных золей металлов для многочисленных применений в качестве сред для ограничения интенсивности проходящего излучения, управления нелинейной рефракцией, создания систем сверхплотной записи оптической информации, повышения чувствительности спектроскопии примесей. Кроме того, наноструктурированные дисперсные системы могут стать основой для широкого применения в нанотехнологиях. Несмотря на обширное число публикаций (см. например, обзоры [46, 47]), посвященных исследованию свойств фрактально-структурированных дисперсных сред, до сих пор отсутствуют адекватные модели процессов изменения наноагрегатов (их структуры) под действием света. В частности, известно [48], что после облучения лазерным излучением коллоидных систем, содержащих фрактальные агрегаты наночастиц в их спектрах экстинкции наблюдаются провалы на частотах, близких к лазерной. Полагается, что под действием лазерного излучения происходит модификация (фотомодификация) структуры агрегатов. Экспериментально найдены пороговые энергии [49-51] фотомодификации при различных частотах лазерного излучения. Явление фотомодификации фрактальных агрегатов связывают как с изменением состояний (плавление, испарение) входящих в него частиц, так и с изменением их относительного расположения. Для того, чтобы описать конкретно кинетику фотомодификации необходимо создать теорию, на основе которой можно было бы определить роль того или иного процесса. Необходимость такой теории обусловлена не только насущностью описания фотомодификации, но и ряда оптических нелинейных свойств фрактальных агрегатов, проявляющихся в процессе воздействия на них лазерного излучения.

В работах [52-55] на примере простейшего агрегата (димера) рассматривались причины его фотомодификации, связанные с действием только сил диполь-дипольного взаимодействия, наведенного внешним лазерным излучением. В последующих работах [5658] уже рассматривались более сложные агрегаты (с числом частиц 2-^5), а также учитывалось взаимодействие как с внешней средой (силы трения), так и взаимодействие частиц между собой, обусловленное действием стерических сил. При этом потенциал последних в течение действия излучения полагался неизменным и не учитывался нагрев частиц излучением и, соответственно, его влияние на межчастичное взаимодействие.

Что касается второго направления, связанного с воздействием на поступательные степени свободы атомов и ионов посредством передачи импульса, то за последние 15-20 лет исследования в данной области сформировались в новое направление лазерной физики. Установлено, что резонансное лазерное излучение способно оказывать чрезвычайно многообразное по своему характеру механическое действие на движение атомов [59-62]. В рамках этого направления были разработаны эффективные методы сверхглубокого охлаждения и локализации нейтральных атомов, которые позволили, в частности, осуществить уникальные эксперименты по бозе-конденсации [63].

Но, несмотря на выдающиеся успехи использования методов лазерного охлаждения и локализации атомов и ионов [63, 64], электрон-ионная плазма в подобном аспекте практически не рассматривалась. Впервые задача лазерного охлаждения плазменных ионов была рассмотрена в работах [65,66]. Несколько позже появились экспериментальные [67-74] и теоретические [75-82] работы, направленные на создание методами лазерного охлаждения как атомов (с их последующей фотоионизацией), так и ионов [80-82] неидеальной ультрахолодной плазмы (УП) и исследование ее свойств и процессов, протекающих в ней. Уже эти работы показали, что распространение указанных методов на плазму может привести к получению в лабораторных условиях новых физических объектов, фундаментальный интерес к которым связан с открывающимися новыми возможностями лабораторного изучения плазмы в малоисследованном диапазоне параметров. К таким прежде всего относятся изучение особенностей фазовых переходов жидкость - вигнеровский кристалл в трехмерных (электрон-ионных) кулоновских системах, проявлений рекомбинационных и столкновительных процессов, а также коллективных явлений в плазме при сверхнизких температурах. При этом важно, что сам способ "приготовления" лазерной УП (т.е. способ, эксплуатирующий действие лазерного излучения) допускает возможность целенаправленного управления её состоянием посредством перестройки режимов воздействия лазерного света и его параметров.

Следует отметить, что по умолчанию в главах 1-5 использована система СГС, а в главе 6-СИ.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию взаимодействия резонансного лазерного излучения с газовыми, плазменными и конденсированными средами, содержащими резонансные этому излучению микрочастицы (атомы, ионы, наночастицы). Одной из главных целей этих исследований было изучение возможностей изменения агрегатных состояний этих сред (и сопутствующих этому эффектов): плазмообразование, создание сильнонеидеальной плазмы и образование в ней упорядоченных структур, фотомодификация агрегатов наночастиц.

Методы исследований. Используются модели и методы физики плазмы, лазерной физики, спектроскопии. Исследования проводятся на основе компьютерного моделирования и численного решения нелинейных систем дифференциальных уравнений.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректным учетом и математическим описанием всей совокупности физических процессов в исследуемых явлениях, сравнением результатов численных расчетов с аналитическими решениями (когда последние возможны), а также согласием теоретических результатов экспериментальным.

На защиту выносятся: -* моделирование и исследование процесса плазмообразования (и сопутствующих нелинейных эффектов) в парах щелочных металлов при воздействии ла-зерного излучения, резонансного квантовому переходу между основным и возбужденным состояниями атома;

- теория оптического разряда, реализуемого в поле лазерного излучения, резонансного переходу между возбужденными состояниями атома;

- постановка задачи и модель процесса образования плазмы при воздействии на поверхность металла резонансного (квантовым переходам атомов паров этого металла) лазерного излучения;

- метод создания ультрахолодной сильнонеидеальной электрон-ионной плазмы, основанный на лазерном охлаждении плазменных ионов и исследование протекающих в ней элементарных и коллективных процессов;

- исследование взаимодействия плазмы с «оптической мембраной», образованной суперпозицией бихроматических лазерных пучков резонансного плазменным ионам излучения и способ магнито-оптического удержания ультрахолодной плазмы, основанный на использовании «оптической мембраны»;

- моделирование воздействия квазирезонансного лазерного излучения на простейший агрегат (димер) плазмонно-резонансных наночастиц и использование полученных результатов для качественного описания эффектов, возникающих при фотомодификации многочастичных агрегатов.

Научная новизна.

1. На основе радиационно-столкновительной модели описан процесс образования плазмы в парах металлов при воздействии резонансного оптического излучения, а также проявление ионизационного просветления и потемнения газа при распространении в нем резонансного излучения. Предсказаны эффекты: возникновения колебаний параметров плазмы и образования переохлажденной плазмы.

2. Построена теория оптического разряда в поле лазерного излучения, резонанного переходу между возбужденными состояниями атомов.

3. Поставлена задача и создана модель воздействия на поверхность металла интенсивного лазерного излучения, резонансного атомам паров металла. Предсказано увеличение концентрации плазмы с ростом отстройки частоты лазерного излучения от резонанса, обусловленное экранировкой поверхности образующейся плазмой.

4. Предложен способ создания электрон-ионной ультрахолодной сильнонеидеальной плазмы, основанный на использовании методов лазерного охлаждения. Показана принципиальная возможность достижения с помощью таких методов условий вигнеровской кристаллизации плазмы. На основе исследований протекающих в ней элементарных и коллективных процессов построены математические модели динамики ее охлаждения и кристаллизации в поле резонансного лазерного излучения. Обнаружено явление задержки кристаллизации ионной подсистемы относительно ее охлаждения.

5. Проведено теоретическое исследование взаимодействия ультрахолодной плазмы с «оптической мембраной». Обнаружено существование скачков электрического потенциала и давления, а также образование двойного электрического слоя в области локализации «оптической мембраны». На основе ее использования предложен новый тип плазменной ловушки.

6. Впервые проведено комплексное моделирование воздействия импульсного резонансного лазерного излучения на связанную пару (димер) плазмонно-резонансных наночастиц. На основе модели предсказана асимметрия провала (относительно лазерной частоты), «выжигаемого» излучением в спектре поглощения многочастичного агрегата плазмонно-резонансных наночастиц. Практическая значимость работы определяется следующим:

1 .Резонансный способ образования плазмы требует значительно меньшей интенсивности по сравнению с нерезонансным, что позволяет использовать его для генерации плазмы, создания плазменных каналов для транспортировки заряженных частиц. А возможность получения переохлажденной плазмы в нем может представлять интерес для создания инверсных сред плазменных лазеров.

2.Ультрахолодная плазма и метод ее создания представляет интерес не только как новый физический объект, но и как источник ридберговских атомов и ультрахолодных электронов. Кроме того, она позволяет исследовать элементарные процессы между заряженными частицами с малой кинетической энергией.

3.Исследованные эффекты взаимодействия «оптической мембраны» с плазмойпоказали возможность ее применения для регистрации пондеромоторных сил в резонансном лазерном поле, диагностики плазмы и оптических полей. Селективный характер ее действия позволяет использовать ее в целях разделения (обогащения, очистки) ионных компонент плазмы.

4.Предложенная модель фотомодификации агрегатов наночастиц и ее развитие представляет интерес для исследования оптических свойств наноагрегатов и целенаправленного их изменения для использования их в нелинейной оптике и разработки устройств нанофотоники.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на коференциях: V Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979); II семинаре по математическим задачам нелинейной оптики (Красноярск, 1983); Всесоюзном семинаре «Процессы ионизации с участием возбужденных атомов» (Ленинград, 1984); Всесоюзном семинаре «Резонансные нелинейные оптические процессы в газах» (Дивногорск, 1986); Всесоюзном семинаре «Лазерная резонансная ионизационная спектроскопия» (Новосибирск, 1988); I школе-семинаре по математическим моделям ближнего космоса (Дивногорск, 1988); III рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме (Новосибирск, 1990); II, IV, VI, VIII Sino-Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Harbin, China, 1995, 1998, 2002, 2006); XI International Conference on Nonlinear Optics (Novosibirsk, Russia, 1997); I, III, V, IX Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Krasnoyarsk, Russia, 1994, 1996; Tomsk, 2000, 2008); II, IV International Symposium"Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997, 2004); VI International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" (Tomsk, 2003); II Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2007, Новосибирск, 2007); Международной коференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (ICONO/LAT-2007, Минск, 2007; ICONO/LAT-2010, Казань, 2010); VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2007); I, II Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008, Москва, 2008; ММПСН-2009, Москва, 2009); XI Международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2009).

Публикации. Результаты проведенных исследований опубликованы в более чем 50 работах, основные из которых по теме диссертации [39,65,66, 84, 87,98,114,115,123,124,140,146148,151,152,154, 155,161,173,175,180, 191, 195,197,221,222]. Личный вклад автора: вошедшие в диссертацию результаты получены совместно с Шапаревым Н.Я., Красновым И.В., Карповым C.B. Но основной вклад по представленным результатам принадлежит лично автору.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Содержание диссертационной работы изложено на 233 страницах, включая 105 рисунков и 7 таблиц. Список используемых источников содержит 222 наименований. Краткое содержание диссертации по главам

Выводы.

Как видно из представленных результатов, взаимодействие излучения с простейшим агрегатом наночастиц (димером) включает в себя множество процессов, детальный учет каждого из которых является самостоятельной задачей. Совершенно очевидно, что комплексное рассмотрение этих вопросов возможно только на основе междисциплинарного подхода. Несмотря на определенные ограничения нашей модели, она позволила установить ряд принципиальных закономерностей процесса фотомодификации димера, а если рассматривать димер как аналог резонансного домена, то и — фотомодификации фрактального агрегата через изменение структуры его резонансных доменов.

В частности, из полученных результатов следует, что фотомодификация фрактальных агрегатов вследствие взаимодействия излучения с наиболее низкочастотными резонансами длинноволновой полосы плазмонного поглощения агрегата (малые начальные межчастичные зазоры) обусловлена уменьшением расстояния между частицами и, соответственно, сдвигом резонансов в длинноволновую область.

В случае же больших начальных значений межчастичных зазоров (толстых адсорбционных слоев) и взаимодействия излучения главным образом с высокочастотными резонансами длинноволновой полосы поглощения фрактала (более близкими к сор] одиночных частиц), относительные сдвиги частиц в домене незначительны даже при достижении высокой температуры частиц. Поэтому основное изменение в домене может быть связано с изменением размеров (испарением) его частиц вплоть до их исчезновения, а возможно и образования плазмы.

Отсюда следует, что природа порога фотомодификации как димеров, так и агрегатов наночастиц в разных областях спектра может быть различной: при малых межчастичных зазорах она обусловлена сдвигом частиц, при больших — изменением размеров и исчезновением частиц.

Еще одна важная особенность, обнаруженная нами при малых начальных значениях межчастичных зазоров, — это асимметрия относительно резонансной частоты димера его спектральной области коллапса (частоты излучения, вызывающего коллапс димера). Этот результат настоящей работы следует отнести к числу важнейших, поскольку выявляемая асимметрия положения провала, возникающая за время действия лазерного импульса, может стать одной из основных причин отрицательной нелинейной рефракции гидрозолей серебра, которая наблюдалась, в частности, в [189,220] при воздействии излучением с =1.064 мкм.

В случае воздействия коротким пикосекундным лазерным импульсом сближение частиц димера оказывается значительно меньшим, или оно вовсе отсутствует (например, при низкой интенсивности, приближающейся к пороговым значениям).

Таким образом, выполненный анализ показывает, что оптические характеристики резонансного домена фрактального агрегата при условиях, близких к экспериментальным динамически изменяются за время действия лазерного импульса, что порождает нелинейность оптического отклика системы и проявляет себя в разнообразных нелинейно-оптических процессах в импульсных лазерных полях, перечисленных во Введении.

Несмотря на то, что наша модель, как уже отмечалось, является упрощенной, она позволяет определить роль основных факторов и оценить необходимость их учета. Например, достижение высоких температур частиц даже при умеренных интенсивностях излучения ставит вопрос о необходимости учета их испарения. Высокие температуры электронов убеждают в необходимости учета их термоэмиссии. Что касается свойств полимерного адсорбционного слоя частиц, то полученные результаты диктуют необходимость учета его неоднородности (возрастания по толщине в направлении поверхности частицы модуля упругости адсорбированного полимерного слоя).

Можно назвать еще ряд проблем, которые возникли при использовании разработанной модели. В частности, испарение приводит к изменению размеров частиц и расстояний между ними, а значит и к изменению оптических свойств димера. Это вызывает необходимость рассмотрения задачи для димера с частицами разных размеров. Кроме того, заложенные в модель принципы позволяют проанализировать поведение в поле лазерного излучения агрегатов не только металлических, но наночастиц из произвольного материала.

Совершенно очевидно, что предложенная модель требует, а главное, позволяет свое дальнейшее улучшение и развитие для более адекватного описания процесса локальной модификации агрегатов металлических наночастиц и порождаемых ей широкого спектра нелинейно-оптических явлений. Подчеркнем, что обнаруженные нами процессы оказывают неизбежное влияние на все нелинейно-оптические и фотофизические явления, исследованные к настоящему времени, физическая природа которых оставалась невыясненной.

Основное содержание Главы 6 и использование, полученных результатов отражено в работах [191-197].

Заключение

Работа посвящена теоретическому изучению воздействия резонансного лазерного излучения на газовые, плазменные и дисперсные среды на основе аналитического и численного моделирования. Проведенные исследования убедительно показали, что резонансное лазерное излучение является весьма гибким и эффективным управляющим средством [221, 222], которое позволяет изменять как макроскопическое, так и микроскопическое состояние объектов. Конкретные результаты и выводы, имеющие приоритетный характер в области исследований взаимодействия резонансного лазерного излучения с веществом состоят в следующем.

1. На основе радиационно-столкновительной модели описан процесс ионизации газа при воздействии лазерного излучения резонансного переходу между основным и возбужденным состоянием атомов этого газа, и получена детальная картина плазмообразования в парах натрия и цезия.

2. Обнаружена возможность и исследованы условия возникновения колебаний температуры электронов и концентрации частиц при установлении стационарного режима резонансного оптического разряда.

3. Показано, что при резонансном оптическом разряде возможно получение глубоко переохлажденной плазмы, при последующей рекомбинации которой может возникать инверсия населенностей на переходах между высоколежащими уровнями атомов.

4. Описана возможность эффективного разделения изотопов, основанного на селективной ионизации в плазме резонансного оптического разряда.

5. Решена задача (в одномерном приближении) о распространении резонансного излучения с учетом ионизации газа, что позволило получить детальную картину проявления эффектов ионизационного «просветления» и «потемнения» газа в поле резонансного лазерного излучения. В первом случае «фронт» интенсивности перемещается импульсно-периодически. Во втором случае наблюдается его возвратное движение. На конечном этапе ионизации в обоих случаях среда просветляется и оптическая толщина среды уменьшается уменьшается на несколько порядков в сравнении с просветлением за счет насыщения перехода.

6. Предложен способ осуществления оптического разряда в атомарных газах, основанный на использовании лазерного излучения, резонансного переходу между возбужденными состояниями атома и построена теория такого оптического разряда, позволяющая определить его специфические закономерности: существование нескольких стационарных состояний, а также пороговых значений концентраций газа и интенсивностей лазерного излучения.

7. На примере разряда в азоте показана перспективность использования данного способа для поддержания оптического разряда лазерным излучением инфракрасного или оптического диапазона в газе с атомами, имеющими большие энергии (соответствующие ультрафиолетовому диапазону частот) возбуждения и ионизации: в сравнении с нерезонансным излучением поддержание плазмы резонансным излучением возможно при значительно (-100 раз) меньших интенсивностях.

8. Поставлена задача и проведено моделирование воздействия лазерного излучения на поверхность металлической мишени в условиях, когда частота излучения близка к частоте квантового перехода атомов мишени. Построена аналитическая теория такого взаимодействия, описывающая испарение мишени и плазмообразование в ее парах в условиях короткого импульса (в отсутствии развитого испарения) и квазистационарного воздействия (в режиме развитого испарения).

9. На основе созданной математической модели взаимодействия излучения (включая и случай квазирезоннансного) с металлической мишенью проведены численные расчеты испарения и плазмообразования в широкой области параметров лазерного излучения. Сравнение численных результатов с аналитическими показало хорошее согласие между ними, а проведенное сравнение с результатами экспериментальных работ других авторов, продемонстрировало адекватность теоретических моделей.

10. Предсказано специфическое проявление экранировки мишени образующейся плазмой, подтвержденное позже в экспериментах на литиевой мишени. Заключается оно в том, что в условиях заметного поглощения излучения плазмой с увеличением отстройки от резонанса концентрация плазмы в конце импульса растет. То есть наблюдавшийся (в случае «короткого» импульса) резонансный характер зависимости Пе(со) с ростом длительности импульса будет меняться вплоть до появления провала на резонансной частоте.

11. Предложен способ создания сильнонеидеальной ультрахолодной электрон-ионной плазмы, основанный на использовании лазерного охлаждения плазменных ионов. Показана принципиальная возможность достижения условий вигнеровской кристаллизации в разреженной плазме.

12. Найдены оптимальные значения отстройки охлаждающего излучения и концентрации плазмы для ионов щелочноземельных элементов, позволяющие получать максимальные значения ионного параметра неидеальности Г;. Определены эти значения, которые оказались равными или выше критического Г;>170, с которого и начинается фазовый переход жидкость-кристалл.

13. Установлено, что лазерное охлаждение плазмы представляет собой весьма сложное явление, специфика которого обусловлена низкими энергиями заряженных частиц, воздействием резонансного излучения как на поступательные, так и на внутренние степени свободы частиц. В частности, показано что процесс трехчастичной рекомбинации с участием низкотемпературных электронов в поле лазерного излучения приводит к образованию ридберговских и автоионизационных состояний. А последующий их распад и сверхупругие столкновения электронов с возбужденными излучением ионами порождают «горячие» электроны, беспрепятственный уход которых из плазменного объема может оказывать существенное влияние на время существования ультрахолодной плазмы.

14. Впервые для компьютерного моделирования охлаждения и кристаллизации электрон-ионной плазмы использован метод броуновской динамики, что позволило учесть электрон-ионный энергообмен и существенно сократить время расчета. В результате этого моделирования показано, что при охлаждении плазмы в сферическом объеме ионы образуют структуру в виде ряда концентрических сфер - «кулоновский шар». Причем формирование этой структуры может происходить значительно медленнее, чем охлаждение самих ионов, что особенно важно при постановке экспериментов по охлаждению и кристаллизации в нестационарной плазме.

15. С использованием приближения ближайшего соседа и аналогии с однокомпонентной плазмой дано описание корреляционного нагрева частиц (электронов и ионов) в плазме, создаваемой припороговой фотоионизацией глубоко охлажденных атомов. Получены простые и адекватные выражения для температур (параметров неидеальности) электронов и ионов, устанавливающиеся в результате корреляционного нагрева этих частиц. В частности показано, что в результате корреляционного и рекомбинационного нагрева параметр неидеальности электронов Ге быстро за I < со^1 (©¡- ионная плазменная частота) падает до значений Ге~0.1 независимо от его начального значения Ге»1. А параметр неидеальности ионов за время I ~ соГ1 уменьшается от значений Г; »1 до Г{ « 3.3, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

16.0бнаружена представляющая особенный интерес возможность получения сильнонеидеальной электронной подсистемы при возбуждении атомов в ридберговские состояния с перекрывающимися с соседними атомами областями локализации внешних атомных электронов.

17. В результате проведенных исследований взаимодействия «оптической мембраны», образованной комбинацией резонансных бихроматических световых полей, с плазмой

V I) обнаружен ряд физических эффектов: скачок электрического потенциала и давления плазмы на «оптической мембране», разделение ионов, образование двойного электрического слоя.

18. Представлена модель магнитооптической ловушки для удержания разреженной ультрахолодной плазмы с резонансными ионами, главным элементом которой является «оптическая мембрана». Показана возможность длительной (~0.1с) и селективной локализации в ней ультрахолодной квазинейтральной плазмы.

20. Впервые создана комплексная модель кинетики фотомодификации простейшего агрегата наночастиц (димера) в коллоидном растворе под действием лазерного излучения. В модели учтено взаимодействие между частицами: дипольное, индуцируемое лазерным излучением; электростатическое; Ван-дер-Вальсовое; упругое, обусловленное существованием полимерной оболочки вокруг каждой частицы. Кроме того учтен нагрев частиц и окружающей среды лазерным излучением и влияние этого нагрева на упругие свойства полимерных оболочек.

21. На основе созданной модели проведены численные исследования кинетики фотомодификации димера, из которых, в частности, следует, что фотомодификация в длинноволновой области спектра (малые межчастичные зазоры) обусловлена изменением расстояния между частицами и, соответственно, сдвигом резонансов в длинноволновую область. В случае же больших зазоров (коротковолновая область) эти сдвиги незначительны даже при высокой температуре частиц. Поэтому основное изменение может быть связано с изменением размеров (испарение) частиц димера вплоть до их исчезновения, а возможно и образования плазмы.

22. Установлено, что при фотомодификации димера с малым межчастичным расстоянием в его спектре поглощения образуется асимметричный (сдвинутый в коротковолновую область) относительно его собственной частоты "провал", что может являться причиной возникновения отрицательной нелинейной рефракции, наблюдавшейся в ряде экспериментов и не получившей адекватного объяснения. В случае короткого (пикосекундного) лазерного импульса этот эффект значительно меньше или вовсе отсутствует.

1. Райзер Ю.П. О возможности создания светового плазмотрона и необходимой для этого мощности//Письма в ЖЭТФ.- 1970.- Т.П.- С.195-199.

2. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры.- М.: Атомиздат, 1978.- 256 с.

3. Ионас Дж. Термоядерная энергия и пучки заряженных частиц// УФН.-1981.- Т.133.-С. 159-180.

4. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986.- 502 с.

5. Плазма в лазерах. / Под редакцией Бекефи Дж./. М.: Энергоиздат, 1982.- 213 с.

6. Dembinski М., John Р.К. Power enhancement of a ruby laser by an intracavity plasma// Opt. Commun.-1980.- V. 32.- P. 317-319.

7. Грилихес B.A., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984,- 186 с.

8. Гришин С.Д., Чекалин С.В. Космический транспорт будущего// Новое в жизни, науке, технике. Сер. Космонавтика, астрономия. М.: Знание, 1983.- 173 с.

9. Райзер Ю.П. Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча// УФН.-1965.- Т.87.- С.29-64.

10. Райзер Ю.П. Оптические разряды//УФН.- 1980.-Т. 132,-С.549-581.

11. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974.- 308 с.

12. Смирнов Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М.: Атомиздат, 1968.- 256 с.

13. Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света. Ленинград: Изд-во Ленинградского университета, 1983.-272 с.

14. Lucatorto T.W., Mcllrath T.J. Efficient Laser Production of aNa+ Ground-State Plasma

15. Column: Absorption Spectroscopy and Photoionization Measurement of Na+// Phys. Rev. Lett.- 1976.-V.37,- P.428-431.

16. Measures R.M. J. Efficient laser ionization of sodium vapor—A possible explanation based on superelastic collisions and reduced ionization potential//J.Appl. Phys.- 1977.- V.48.- P.2673-2675.

17. Shaparev N.Ya. Influence of the resonance radiation on the ionization of a gas// Abstracts of fourth Europhysics sectional conference on atomic and molecular physics of ionized gases.- Essen.-1978.- P.48.

18. Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд// ЖТФ.- 1979.- Т. 49.- С.2223-2227.

19. Measures R.M., Cardinal P.G. Laser ionization based on resonance saturation—a simple model description// Phys. Rev. A.-1981.- V. 23.- P. 804-815.

20. Bearman G.H., Leventhal J.J. Ionization and Energy Pooling in Laser-Excited Na Vapor// Phys. Rev. Lett.-1978.- V. 41.- P. 1227-1230.

21. Stacewicz T. Ionization of sodium vapour by intense laser light tuned to 3S —> 3P transition// Opt. Commun.- 1980.- V. 35.- P.239-241.

22. Cardinal P.G., Wizinowich P.L., Measures R.M. Anomalous laser energy absorption associated with resonance saturation // J. Quant. Spectr. Radiat. Transfer.-1981.- V.25.- P.537-545.

23. Stacewicz T., Krasinski J. Investigations of ionization of sodium vapour by resonant laser light //Opt. Commun.-1981,- V.39.- P.35-40.

24. Зайцев H.K., Шапарев Н.Я. Оптоэлектрические явления в плазме.- Красноярск, 1982.-Ч.2.- 30 с. (Препринт Института физики СО АН СССР: №208 Ф).

25. Carre В. Etude de l'ionization d'une vapeur de sodium dense en presence d'un rayonnement laser resonant intense.- Paris, 1982.- 85 p. (Le titre de docteur. A Г université de Paris sud Centre D'Orsay).

26. Measures R.M., Cardinal P.G. A theoretical model of laser ionization of alkali vapors based on resonance saturation// J. Appl. Phys.- 1981.- V. 52.- P.1269-1277.

27. Касьянов B.A., Старостин A.H. Теория резонансного оптического пробоя газов.//Квант. электр.-1981.- Т.8.- №5.- С. 1050-1056.

28. Касьянов В.А., Старостин А.Н. Резонансная зависимость частоты ионизации при оптическом пробое// ТВТ.- 1985,- Т. 23,- №3.- С. 609-610.

29. Шапарев Н.Я. Ионизационное просветление газа// ЖЭТФ.-1981.- Т. 80.- С. 957-963.

30. Measures R.M., Drewell N., Cardinal P.G. Electron and ion beam transportation channel formation by laser ionization based on resonance saturation—LIBORS// J. Appl. Phys.-1979.- Y. 50.- P. 2662-2669.

31. Measures R.M., Wong S.K., Cardinal P.G. The influence of molecular nitrogen upon plasma channel formation by laser resonance saturation// J. Appl. Phys.- 1982.- V. 53.- P. 5541-5551.

32. Measures R.M., Drewell N., Cardinal P.G. J. Radiation energy conversion in space.// Techn. paper 3rd NASA Conf. Moffett Field, Calif.-1978. New York, 1978.- P. 450-451.

33. Measures R.M., Wizinowich P.L., Cardinal P.G. Fast and efficient plasma heating through superelastic laser energy conversion// J. Appl. Phys.- 1980.- V. 51.- P. 3622-3628.

34. Tam A.C., Happer W. Plasma prodaction in a Cs vapor by a weak CW laser beam at 6010 A// Opt. Commun.- 1977.- V. 21,- P. 403-407.

35. Tam A.C. Quasiresonant laser produced plasma: An efficient mechanism for localized breakdown// J. Appl. Phys.- 1980.- V. 51.- P.4682-4689.

36. Krokel D., Hube M., Luhs W. Continuous laser emission from sodium atoms by collision assisted two-step excitation// Appl. Phys.B.- 1985.- V.37.- P.137-140.

37. Бахрамов C.A., Коххаров A.M., Тихоненко B.B. Влияние многофотонной ионизации на преобразование частоты в парах щелочных металлов//Квант. электр.-1982.- Т.9.- №12,-С. 2386-2391.

38. Воробьев B.C. Плазма, возникающая при взаимодействии лазерного излучения с твердыми мишенями// УФН.- 1993.- Т.163.- В.12.- С.51-83.

39. Ахманов С.А., Емельянов В.И., Коротеев Н.И., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика// УФН.- 1985.- Т.147.- В.12.-С.675-745.

40. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я., Якубайлик О.Э. Резонансный оптический разряд на поверхности металла// Труды III рабочего совещания по моделированию космических явлений в лабораторной плазме.- 1990.- Новосибирск, 1990,- С. 37-41.

41. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г. Резонансный лазерный пробой на поверхности металла//

42. Письма в ЖЭТФ.-1991.- Т.53.- С. 290-293.

43. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г. Снижение порога образования плазмы на поверхности алюминия под действием резонансного лазерного излучения // Письма в Ж ТФ.- 1992.-Т.18.-В.18.- С.21-24.

44. Bowe P., Conway J., Dunne P., McCormack Т., О'Sullivan G. Effect of resonant pumping on the temporal and spatial evolution of laser produced lithium plasma// J. of Appl. Phys.- 1999.-V.86.- P.3002-3009.

45. McCormack Т., О'Sullivan G. Spatially resolved spectra of resonantly pumped laser produced plasmas of lithium// Review of Scientific Instruments.- 1999.- V.70.- P.2674-2680.

46. Попов A.M., Поповичева О.Б., Рахимова T.B. Моделирование резонансного лазерного пробоя вблизи металлической поверхности// Физика плазмы.-1992.- Т. 18.- С. 644-650.

47. Карпов С.В., Слабко В.В. Оптические и фотофизические свойства фрактально-структурированных золей металлов.- Новосибирск, изд-во СО РАН, 2003.- 265 с.

48. Ролдугин В.И. Фрактальные структуры в дисперсных системах// Успехи химии.- 2003.-Т.72.-В.10.- С.931-959.

49. Ролдугин В.И.Свойства фрактальных дисперсных систем// Успехи химии.- 2003.- Т. 72.-В.11.- С. 1027-1054.

50. Карпов С.В., Попов А.К., Раутиан С.Г., Сафонов В.П. Слабко В.В., Шалаев В.М., Штокман М.И. Обнаружение фотомодификации кластеров серебра, селективной по длине волны и поляризации // Письма в ЖЭТФ,- 1988.- Т.48.- В.Ю.- С.528-532.

51. Данилова Е.Ю., Раутиан С.Г., Сафонов В.П. Взаимодействие фрактальных кластеров серебра с мощным излучением: поглощение, обращение волнового фронта, фотомодификация //Изв. РАН. Сер. Физика.-1996.- Т.60.- №3.- С.56-64 .

52. Safonov V.P., Shalaev V.M., Markel V.M., Danilova Yu.E., Lepeskin N.N., Kim W., Rautian S.G., Armstrong R.L. Spectral Dependence of Selective Photomodification in Fractal Aggregates of Colloidal Particles// Phys.Rev.Lett.- 1998.- V.80.- P.l 102- 1105.

53. Карпов С.В., Слабко В.В., Попов А.К. Фотохромные реакции в нанокомпозитах серебра с фрактальной структурой и их сравнительные характеристики// ЖТФ.- 2003.- Т.73.-В.6.- С.90-98.

54. Claro F., Rojas R Novel laser induced interaction profiles in clusters of mesoscopic particles// Appl. Phys. Lett.-1994.- V. 65.- P. 2743-2745.

55. Claro F. The effect of laser irradiation on the formation and destruction of clusters and cluster arrays.// Physica A.- 1997.-V. 241.- P. 223-225.

56. Драчев В.П., Перминов C.B., Раутиан С.Г., Сафонов В.П., Халиуллин Э.Н. Поляризационные эффекты в наноагрегатах серебра, обусловленные локальным и нелокальным нелинейно-оптическими откликами// ЖЭТФ.- 2002.- Т.121.- С.1051-1067.

57. Слабко В.В., Хачатрян Г. Г., Александровский А. С. Управляемая внешним световым полем самоорганизованная агрегация малых металлических частиц// Письма ЖЭТФ.-2006.- Т.84.- В.5-6.- С.360-364.

58. Perminov S. V., Drachev V. P. and Rautian S. G. Optics of metal nanoparticle aggregates with light induced motion// Optics Express.- 2007.- V. 15.- Iss. 14.- P.8640-8648.

59. Perminov S. V., Drachev V. P. and Rautian S. G. Optical Instability driven by the light-induced forces between metal nanoparticles// Optics Letters.- 2008.- V. 33.- Iss.24.- P.2998-3000.

60. Перминов С. В., Драчев В. П. Нелинейная восприимчивость металл-диэлектрического нанокомпозита, обусловленная наведенными диполь-дипольными силами между частицами// Опт. и спектр,- 2009.- Т. 107.- В. 5.- С. 804-809.

61. Казанцев А.П. Резонансное световое давление// УФН.- 1978.- Т. 124.- С. 113-145.

62. Казанцев А.П., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П. Механическое действие света на атомы.1. М.: Наука, 1991.- 190 с.

63. Stenholm S. The semiclassical theory of laser cooling// Rev. of Modern Phys.- 1986.- V. 58.-P. 699-739.

64. Миногин В.Г., Летохов B.C. Давление лазерного излучения на атомы. М.: Наука, 1986.- 224 с.

65. Anderson M.H., Enser J.R., Mattnews M.R., C. E. Wieman C.E., and E. A. Cornell E.A. Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor.// Science.-1995.- V. 269.-P. 198-201.

66. Тошек П.Э. Атомные частицы в ловушках// УФН.- 1989,- Т. 158.- С. 451-497.

67. Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев Н.Я. Лазерное управление состоянием плазмы в селективной оптической ловушке // Письма в ЖТФ.- 1997.- Т. 23.- № 2.- С. 28-32.

68. Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V., Shaparev N.Y. Laser Cooling and Wigner Crystallization of Resonant Plasma in Magneto-Optical Trap// Laser Phys.- 1998.- V. 8.- P. 653-656.

69. Kilian T.C., Kulin S., Bergeson S.D, Orozco L. A., Orzel C., and Rolston S. L. Creation of an Ultracold Neutral Plasma // Phys. Rev. Lett.- 1999.- V. 83.- P. 4776 -4779.

70. Kulin S., Kilian T.C., Bergeson S.D., Rolston S.L. Plasma Oscillations and Expansion of an Ultracold Neutral Plasma //Phys. Rev. Lett.- 2000.- V. 85.- P. 318 321.

71. Kilian T.C., Lim M.J., Kulin S., Dumke R., Bergeson S.D., Rolston S.L. Formation of Rydberg Atoms in an Expanding Ultracold Neutral Plasma // Phys. Rev. Lett.- 2001.- V. 86.-P. 3759-3762.

72. Simien S.E., Chen Y.C., Gupta P., Laha S., Martinez Y.N., Mickelson P.G., Nagel S.W., Killian T.G. Using Absorption Imaging to Study Ion Dynamics in an Ultracold Neutral Plasma // Phys. Rev. Lett.- 2004.- V. 92.- P. 143001 (4 p.).

73. Robinson M.P., Laburthe Tolra В., Noel M.W., Gallagher, Pillet P. Spontaneous Evolution of Rydberg Atoms into an Ultracold Plasma // Phys. Rev. Lett.-2000,- V. 85.- P.4466-4469.

74. Wenhui Li, Noel M.W., Robinson M.P. et al. Evolution dynamics of a dense frozen Rydberg gas to plasma // Phys.Rev. А,- 2004.- V. 70.- P.042713 (10 p.).

75. Walz-Flannigan A., Guest M., Choi J.-H., Raithel. Cold-Rydberg-gas dynamics //Phys.Rev. A.- 2004.- V. 69.- P.063405 (9 p.).

76. Vanhaecke N., Comparat D., Tate D.A., Pillet P. Ionization of Rydberg atoms embedded in an ultracold plasma.// Phys. Rev. A.- 2005.- V.71.- P. 013416 (4 p.).

77. Mazevet S., Collins L.A., Kress J.D. Evolution of Ultracold Neutral Plasmas// Phys.Rev.Lett.-2002.- V.88.- P.055001 (4 p.).

78. Robicheaux F., Hanson J.D. Simulation of the Expansion of an Ultracold Neutral Plasma // Phys. Rev. Lett.- 2002.- V. 88.- P.055002 (4 p.).

79. Kuzmin S.G., O'Neil T.M. Numerical Simulation of Ultracold Plasmas: How Rapid Intrinsic Heating Limits the Development of Correlation//Phys. Rev. Lett.- 2002.- V.88.- P.065003(4 p.).

80. Ткачев A.H., Яковленко С.И. Релаксация ридберговских состояний в ультрахолодной лазерной плазме //Квант, электр.- 2001,- Т. 31.- С. 1084-1088.

81. Murillo М. S., Using Fermi Statistics to Create Strongly Coupled Ion Plasmas in Atom Traps// Phys.Rev.Lett.- 2001.- V.87.- P.115003 (4 p.).

82. Kuzmin S.G., O'Neil T.M. Numerical Simulation of Ultracold Plasmas.// Phys. of Plasm.-2002,- V.9.- Iss.9.- P.3743-3751.

83. Pohl Т., Pattard T.and Rost J.M. Coulomb Crystallization in Expanding Laser-Cooled Neutral Plasmas //Phys.Rev.Lett.- 2004.- V.92.- P.155003 (4 p.).

84. Pohl Т., Pattard T.and Rost J.M. Influence of electron-ion collisions on Coulomb crystallization of ultracold neutral plasmas //J.Phys.B: Atom.Mol.Opt.Phys.- 2004.- V.38.- P.S343-S350.

85. Claessense B.J., van der Geer, Taban G., Vredenbregt E.J.D. and Luiten O.J., Ultracold Electron Source //Phys. Rev. Lett.-2005.- V.95.- P. 164801 (4 p.).

86. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Колебания натриевой плазмы резонансного разряда.// Физика плазмы,- 1988.- Т. 14.- №.8.- С. 1008 -1010.

87. Гаврилюк А.П. Резонансный оптический разряд как эффективный способ создания переохлажденной плазмы// ЖТФ.- 1993,- Т.63,- №.2.- С.171-175.

88. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Ионизационное просветление и потемнение газа в резонансном электромагнитном поле. Красноярск, 1982.- 34 с. (Препринт Вычислительного центра СО АН СССР: №17).

89. Gavrilyuk А.Р., Shaparev N. Ya. Ionization-induced gas transparency in the resonanceelectromagnetic field.// Opt. Commun.-1981.- V.39.- P.379-382

90. Гавриток А.П., Шапарев Н.Я.Ионизация газа в резонансном оптическом поле.-Красноярск, 1986.- Ч.1.-36 с. (Препринт Вычислительного центра СО АН СССР: №15).

91. Вайнштейн JI.A., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979.- 319 с.

92. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечение возбуждения атомов и ионов электронами. -М.: Наука, 1973.- 143 с.

93. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы.- М.: Энергоиздат, 1982.- 239 с.

94. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме. В кн.: Вопросы теории плазмы. Выпуск 1. -М.: Госатомиздат, 1963,- С.183-272.

95. Захаров А.Ю., Турчанинов В.И. GEAR-программа для решения жестких систем обыкновенных уравнений. Москва, 1977.- 43 с. (Инструкция ИПМ АН СССР).

96. Measures R. M., Cardinal P.G, Schin G.W. A theoretical model of laser ionization of alkali vapor based on resonance saturation.// J. Appl. Phys.-1981.- V. 52.- P. 1269-1277.

97. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.- 686 с.

98. Моргулис Н.Д., Пржонский А.М. Некоторые физические свойства фоторезонансной цезиевой плазмы//ЖТФ.-1971.- Т. 12.- №4.- С.992-998.

99. Моргулис Н.Д., Корчевой Ю.П., Лукашенко В.И. Природа ионизации в разрядной цезиевой плазме// Укр. физич. журн.- 1967.- Т. 12.- С. 1362-1374.

100. Гаврилюк А.П. Аналитические оценки температуры электронов и кинетики ионизации газа в резонансном поле.//ТВТ.- 1995.- Т. 33.- С. 144-146.

101. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний М.: Физматгиз, 1959.-915 с.

102. Гуревич A.B., Питаевский Л. П. Коэффициент рекомбинации в плотной низкотемпературной плазме. //ЖЭТФ.- 1964.- Т. 46.- №4.- С. 1281-1284.

103. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры,- М.: Атомиздат, 1978.- 256 с.

104. Летохов В. С., Мур В. Лазерное разделение изотопов. Ч. 1.// Квант, электрон.- 1976.-Т.З.- №2,.3.- С. 248-287.

105. Карлов Н. В., Прохоров А. М. Лазерное разделение изотопов.//УФН.- 1976,- Т.118.-№4.- С.583-609.

106. Летохов В. С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах.-М.: Наука, 1983.- 408 с.

107. Краснов.И. В., Шапарев Н. Я., Шкедов И. М. Эффективное опторазрядное разделение газов // Письма ЖТФ.- 1980.- Т.6.- С.1227-1230.

108. Квливидзе В.А., Красильников С.С. Введение в физику атомных столкновений.- М.: Издательство Московского университета, 1985.- 223 с.

109. Бахвалов Н.С. Численные методы. 2 изд. М.: Наука, 1975.- 631 с.

110. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. Т. 2. М.: Наука, 1977.- 400 с.

111. Головичев В.И., Никуличев Ю.В., Яник А.А. Вычислительная программа GEAR и ее модификация для решения модельных уравнений математической физики. -Новосибирск, 1980.- 87 с. (Отчет ИТПМ СО АН СССР: №1127).

112. Tam А.С. Dynamic response of a cw laser produced Cs plasma to laser modulations// Appl. Phys. Lett.- 1979.- V. 35,- P.683-685.

113. Morgan C.G. Some aspects of laser produced plasmas.// Plasma Phys. and Control. Fusion.1984.-V.26.-P. 1367-1382.

114. T. Bahns, M. Koch and W. C. Stwalley. Laser-induced plasmas in métal vapors.// Laser and

115. Particle Beams.-1989.- V.7.- P.545-550.

116. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Ионизация газа в резонансном оптическом поле.-Красноярск, 1987. Ч.2.-35 с. (Препринт Вычислительного центра СО АН СССР: №13).

117. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд на возбужденных атомах // ЖТФ.-1988.- Т.58.- С. 959-961.

118. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд на возбужденныхатомах в азоте. //Квант, электр., 1993, Т. 20, С. 859-862.

119. Биберман J1.M., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы.- М.: Наука, 1982.- 375 с.

120. Ораевский А.Н., Проценко И.Е. Взрывное поглощение излучения.//Квант. электр.-1985.- Т. 12.-№11.- С.2290 2299.

121. Ораевский А.Н., Проценко И.Е. Взрывное поглощение луча конечного диаметра. //Квант, электр.-1986.- Т. 13.- С.1467-1472.

122. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.- М.: Наука, 1974.- 204 с.

123. Касабов Г.А., Елисеев В.В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы.- М.: Атомиздат, 1973.- 160 с.

124. Физика и техника низкотемпературной плазмы. Под общ. Редакцией Дресвина С.В.

125. М.: Атомиздат, 1970.- 387 с.

126. Ковальская Г.А., Севастьяненко В.Г. Физическая кинетика.- Новосибирск: Институттеоретической и прикладной механики СО АН СССР, 1974.- 104 с.

127. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я. Резонансный оптический разряд на поверхности металла. Аналитическая модель// ЖТФ.- 1993.- Т. 63.- С. 1-9.

128. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я., Якубайлик О.Э. Образование плазмы при взаимодействии резонансного лазерного излучения с поверхностью. 4.1. Алюминий.//Квантовая электроника.- 1993.- Т. 20.- С. 828-832.

129. Gavrilyuk А.Р., Shaparev N.Ya., Yakubailik O.E. Resonance optical discharge on the metal surface.//Reports of first Russian-Chinese seminar on Laser Physics and Laser Technology.-Krasnoyarsk.- Russia.-1993.- P. 54-52.

130. Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya., Yakubailik O.E. Analytical model of resonance laser plasma on metal surface.//Proceeding of the Second Chinese-Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Harbin.- China.- 1995.- P.22-24.

131. Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya., Yakubailik O.E. Resonance laser plasma on sodium surface. // Proceeding of the Second Chinese-Russian Symposium on Laser Physics and Laser

132. Technology.- Harbin.- China.- 1995.- P.17-19.

133. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Мир, 1970.- 272 с.

134. Мажукин В.И.Кинетика поверхностного испарения металла лазерным излучением// В кн.Воздействие концентрированных потоков энергии на метериалы.-М., Наука.-1983.-246 с.

135. Найт Ч.Дж. Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавленияРакетная техника и космонавтика.-1979.-Т.17.- № 5.- С. 81-86.

136. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения.- М.: Мир, 1974.- 468 с.

137. Laughlin С. One- and two-photon ionisation of the 3s and 3p states of Na I // J. Phys. B: At. Mol. Phys.-1978.- V.l 1.- P.1399-1412.

138. Мажукин В.И., Самохин A.A. Математическое моделирование. Нелинейные дифференциальные уравнения математической физики.- М.: Наука, 1987.- 376 с.

139. Rosen D.I., Mitteldorf J., Kothandaraman G, Pirri A.N., Pugh E.R. Coupling of pulsed 0.35-\im laser radiation to aluminum alloys// J.Appl. Phys.-1982.- V.53.- P. 3190-3200.

140. Бреславский П.В., Мажукин В.И. Математическое моделирование процессов импульсного плавления и испарения металла с явным выделением фазовых границ.//ИФЖ.- 1989.- Т.57.- С. 107-114.

141. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978-599 е.

142. Hindmarsh А.С. LSODE and LSODI, Two New Initial Value Ordinary Differential Equation

143. Solvers. //SIGNUM newsletter.- 1980.- V.l5.- P.l0-11.

144. Хайрер Э., Нерсетт С., Ваинер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи.- М.: Мир, 1990.- 512 с.

145. Гаврилюк А.П., Шапарев Н.Я., Якубайлик О.Э. Моделирование воздействия УФ излучения на поверхность алюминия в вакууме.- Красноярск, 1991.- 32с. (Препринт Вычислительного центра СО РАН СССР: № 7).

146. Gavrilyuk A.P., Shaparev N.Ya., Yakubailik O.E. Simulation of UV radiation impulse cooling to aluminum surface in vacuum.//High Power, Laser, and Particle Beams.- 1994.-V.6.-№ 1.- P.91-98.

147. Мажукин В.И., Пестрякова. Алгоритм численного решения задачи поверхностного испарения вещества лазерным излучением //ЖВММФ.-1985.-Т.25.-№11.- С.1697-1709.

148. Ichimaru S. Strongly coupled plasmas: high-density classical plasmas and degenerate electron liquids//Rev. Modern Phys.- 1982,- V. 54.- P.1017-1059.

149. Фортов B.E., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы.- М.: Физматлит,2004.- 528 с.

150. Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya., Shishkin S.A.Ultracold plasma controlled by electromagnetic radiation.//Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Krasnoyarsk.- Russia.- 1996.- P. 73-74.

151. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Laser cooling and Wigner crystallization of rarefied plasma//Proceedings of SPIE.- 1998,- V. 3485.- P. 142-150.

152. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Lazer cooling and Wigner crystallization of rarefied plasma //Physics of Vibration.- 1998.- V.6.- Iss.l.- P.67-74.

153. Krasnov I.V., Gavrilyuk A.P. Non-ideality limit of ultracold laser plasma // J.Phys.B: Atom.Mol.Opt.Phys.- 2008.- V.41.- P.125301 (4 p.).

154. Killian T.C., Ashoka V.S., Gupta P. Laha S., Nagel S.B., Simien C.E., Kulin S., Rolston S.L.and Bergeson S.D.Ultracold neutral plasmas: recent experiments and new prospects// J.Phys.A: Math. Gen.- 2003.- V.36.- P.6077-6085.

155. Killian T.C., Pattard Т., Pohl Т., Rost J.M. Ultracold neutral plasmas // Physics Repots.-2007.- V.449.- P.77-130.

156. Gavrilyuk A.P. Correlation and recombination heating in an ultracold plasma. Analitic estimations.// arXiv:l 107.5904.- 2011. 10 p.

157. Gavrilyuk A.P., Isaev I.L., Karpov S.V., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Brownian dynamic of laser cooling and crystallization of electron-ion plasma// Phys.Rev.E.- 2009.- V.80.- P. 056404 (6 p.).

158. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya.Laser cooling of a recombining electron-ion plasma.// Proceeding the 6-th International Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Harbin.- China.- 2002. P.l-6.

159. Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев Н.Я. Лазерное охлаждение рекомбинирующей электрон-ионной плазмы// Письма в ЖЭТФ,- 2002.- Т.76.- № 7.- С. 497-502.

160. Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Light-Induced Ultracold Plasma // Laser Physics.- 2005.- V.15.- Iss.7.- P.l 102-1107.

161. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Ultracold laser plasma//Proceeding the 8-th International Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Harbin.- China.- 2006.-P.l-4.

162. Hazak G., Zinamon Z., Rosenfeld Y. and Dharma-wardana M.W.C. Temperature relaxation in two-temperature states of dense electron-ion systems// Phys. Rev. E.- 2001.- V.64.-P.066411(5 p.).

163. Cooke W.E., Gallagher T.F., Ebelstein S.A., Hill R.M. Doubly Excited Autoionizing Rydberg States of Sr// Phys. Rev. Lett.- 1978,- V. 40.- P. 178-181.

164. Вайнштейн Л.А., Шевелько В.П. Структура и характеристики ионов в горячей плазме. -М.: Наука, 1986.-215 с.

165. Kazantsev А. P. and Krasnov I. У. Rectification of the gradient force of resonant radiationpressure,//JETPh Lett.- 1987.- V 46.- P.332-337.

166. Гаврилюк А.П., Краснов И.В., Шапарев НЛ.Моделирование и диагностика ультрахолодной лазерной плазмы// Вычисл. Технологии.- 2009.- №6.- С.29-33

167. Dubin D.H.E. and O'Neil T.M. Trapped nonneutral plasmas, liquids, and crystals (the thermal equilibrium states)// Rev. Mod. Phys.-1999.- V.71.- P.87-172.

168. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. -М.: Наука, 1990,- 175 с.

169. Dubin D.H.E., Schiffer J.P. Normal modes of cold confined one-component plasmas// Phys.Rev.E.- 1996.- V.53.- P. 5249-5267.

170. Chen Y.C., Simien C.E., Laha S., Gupta P., Martinez Y.N., Mickelson P.G., Nagel S.B., and

171. Killian T.C. Electron Screening and Kinetic-Energy Oscillations in a Strongly Coupled Plasma// Phys.Rev.Lett.- 2004.- V.93.- P.265003(4 p.).

172. Chu S., Hollberg L., Bjorkholm J.E., Cable A., Ashkin A. Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure// Phys.Rev.Lett.-1985.-V.55.- P.48-51.

173. Krasnov I.V. Ultracold plasma in blue-detuned optical molasses //Phys.Lett.A.- 2008.-V.372.- P.3118-3123.

174. Воробьев B.C., Хомкин A.JI. Приближение ближайшего соседа в термодинамике кулоновских систем и плазмы // Теорет. и мат. физика.- 1976.- Т.26.- С. 364-375.

175. Воробьев B.C., Ликальтер А.А.Физические свойства сильновзаимодействующей плазмы// Химия плазмы, №15 (под ред. Смирнова Б.М.). М.: Энергоатомиздат, 1989.- 296 стр.

176. Zwicknagel G. Molecular Dynamics Simulations of the Dynamics of Correlations and Relaxation in an OCP// Contrib.Plasma Phys.- 1999.- V.39.- P.155-158.

177. Laha S., Chen Y.C., Gupta P., Simien C.E., Martinez Y.N., Mickelson P.G., Nagel S.B., and Killian T.C. Kinetic energy oscillations in annular regions of ultracold neutral plasmas //Eur. Phys. J. D.- 2006.- V.40.- P.51-56.

178. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya., Trapeznikov Yu. Optical membrane in plasma// Proceedings of the Third Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Krasnoyarsk.- Russia.-1996.- P. 68-69.

179. Гаврилюк А. П., Краснов И. В., Шапарев Н. Я. Оптическое удержание низкотемпературной плазмы с резонансными ионами// Письма в ЖЭТФ.-1996.- Т. 63.-№5.- С.316-321.

180. Краснов И. В., Шапарев Н. Я. Спектроскопические проявления резонансной оптической группировки скоростей атомов // Оптика и спектроскопия.-1996. Т. 80.- № 4. - С. 577-580.

181. Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Трапезников Ю. Эффекты взаимодействия оптической мембраны с плазмой// Изв.Вузов. Физика.- 1998.- № 6.- С.9-15.

182. Kazantcev А.Р., Krasnov I.V. Rectification effect of a radiation force// J.Opt. Soc. Amer.B-1989.- V.6.- P.2140-2148.

183. Krasnov I.V. Effect of Rectifying the Radiative Force and Kinetics of Atoms in Strong Bichromatic Fields// Laser Phys.- 1994.- V. 4.- P.906-921.

184. Grimm R., Ovchinnikov V. V., Sidorov A. I. Observation of a strong rectified dipole force in a bichromatic standing light wave// Phys. Rev. Lett.- 1990.- V.65.- P.1415-1418.

185. Gavrilyuk A.P., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Laser confinement of resonance plasma// Proceedings of the Second Chinese- Russian Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Harbin.- China.- 1995.- P.15-16.

186. Гаврилюк А. П., Краснов И. В., Шапарев Н. Я. Селективная оптическая ловушка для низкотемпературной плазмы// Известия вузов. Физика.- 1996.- № 1.- С. 96-103.

187. Gavrilyuk А.Р., Krasnov I.V., Shaparev N.Ya. Magnetic-optical trap and its application// Proceedings of the Third Russian-Chenese Symposium on Laser Physics and Laser Technology.- Krasnoyarsk. Russia.- 1996.- P. 8-9.

188. Райзер Ю.П. Физика газового разряда.- М.: Наука, 1987.- 591 с.

189. Очкин В. Н., Преображенский Н. Г., Соболев И. Н., Шапарев Н. Я. Оптогальванический эффект в плазме и газе // УФН.- 1986.- Т.148.- №3.- С.473-507.

190. Hache F., Richard D., Flytzanis С., Kreibig U. The optical kerr effect in small metal particles and metal colloids: The case of gold// Appl. Phys. A.- 1988,- V. 47.- P. 347-357.

191. С.Г. Раутиан С.Г. Нелинейная спектроскопия насыщения вырожденного электронного газа в сферических частицах металла// ЖЭТФ.- 1997.- Т. 112.- С. 836-856.

192. Shen Y.R. The principles of nonlinear optics. -John Willey and sons, Inc., New York, 1984.481р.

193. Butenko A.V., Chubakov P.A., Danilova Y.E., Karpov S.V., Popov A.K., Rautian S.G., Safonov V.P., Slabko V.V., Shalaev V.M., and Stockman M.I. Nonlinear optics of metal fractal clusters // Z. Phys. D.- 1990.- V. 17,- P. 283-289.

194. Карпов C.B., Кодиров M.K., Ряснянский А.И., Слабко В.В. Нелинейная рефракция гидрозолей серебра в процессе их агрегации//Квантовая электроника.- 2001.- Т. 31.- № 10.- С. 904-908.

195. Fuchs R., Claro F. Enhanced nonconservative forces between polarizable nanoparticles in atime-dependent electric field // Appl. Phys. Lett.-2004.- V.85.- P. 3280-3282.

196. Hallok A.J., Redmond P.L., Brus L.E. Optical forces between metallic particles // Proc. NAS.- 2005.- V.102.- Iss.5.- P. 1280-1284.

197. Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. The Model of Resonant Domain of Metal Nanoparticle Aggregates in Pulsed Laser Fields.// SPIE.-2007.- V. 6728.- P.67281T (12 p.).

198. Гаврилюк А.П., Карпов C.B. Процессы в резонансных доменах агрегатов металлических наночастиц и происхождение оптической нелинейности агрегатов в импульсных лазерных полях.// Тезисы докл. II Всероссийская конференция НАНО.-Новосибирск, 2007.- С. 450.

199. Gavrilyuk А.Р., Karpov S.V. // Processes in Resonant Domains of Metal Nanoparticle Aggregates and Optical Nonlinearity of Aggregates in Pulsed Laser Fields.//Abstracts. International Conference ICONO/LAT.- Minsk.- Belarus.- 2007.- P. 102-14.

200. Gavrilyuk А.Р., Karpov S.V. Processes in resonant domains of metal nanoparticle aggregatesand optical nonlinearity of aggregates in pulsed laser fields.//Applied Physics В.- 2009.-V.97.- Iss.l.- P.163-173.

201. Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. Dynamic changes of optical characteristics of resonant domains in metal nanoparticle aggregates under pulsed laser fields. // Technical digest International conference ICONO/LAT.- Kazan.-Russia.- 2010.- P.ITuQ39.

202. Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. Dynamic changes of optical characteristics of resonant domains in metal nanoparticle aggregates under pulsed laser fields //Applied Physics В.- 2011.-V.102.- Iss. l.-P. 65-72.

203. Johnson P.B., Christy R.V. Optical Constants of the Noble Metals// Phys. Rev. В.- 1972.-V.6.- P. 4370-4379.

204. Markel V.A., Shalaev V.M., Stechel E.V., Kim W., Armstrong R.L. Small-particle composites. I. Linear optical properties// Phys. Rev. B.-1996.- V.6.- P. 2425-2436.

205. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами.- М.: Мир,1986.- 660 с.

206. Nieto-Vesperinas М., Chaumet Р.С., Rahmani A. Correction for Nieto-Vesperinas et al. Nearfield photonic forces.//Phil. Trasn. R. Soc. Lond. A.- 2004.- V.362.- P. 719.

207. Ландау Л.Д, Лифшиц E.M. Теория упругости.- M.: Наука, 1987.- 246 с.

208. Lewis J.A. Colloidal Processing of Ceramics//.!. Am. Ceram. Soc.- 2000.- V.83.- Iss.10.- P.2341-2640.

209. Панкратова M.H., Измайлова B.H. Структурообразование гелей казеина.//Коллоидныйжурнал.- 1976.- Т. 38.- №3.- С.490-495.

210. Слуцкер А.И., Поликарпов Ю.И., Васильева К.В. Определение энергии активации сложных релаксационных процессов // ФТТ.- 2002.- Т. 44.- №8.- С. 1529-1535.

211. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.- М.: Наука, 1975.- 460 с.

212. Пустовалов В.К., Хорунжий И.А., Бобученко Д.С. Образование и динамика паровойоболочки, возникающей при взаимодействии излучения с частицей в жидкости.// Изв.

213. АН СССР.- 1988.- Т.52.- №9.- С. 1847-1851.

214. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии.- М.: Химия, 1982,- 400 с.

215. Sauer S., Lowen Н. Theory of coagulation in charged colloidal suspensions// J. Phys.: Condens. Matter.- 1996.- V.8.- P. L803-L808.

216. Enustun B.V., Turkevich J. Coagulation of Colloidal Gold// J. American Chemical Society.-1963,-V. 85.-P. 3317-3328.

217. Карпов C.B., Слабко B.B., Чиганова Г.А. О причинах фотостимулированной агрегации золей металлов.// Коллоидный журнал.- 2002.- Т.64.- №4.- С. 474-492.

218. Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем.- JL: Химия,1979.-150 с.

219. Ansell С.С., Dickinson Е. Short-range structure of simulated colloidal aggregates// Phys. Rev. A.- 1987.- V. 35.- P.2349-2352.

220. Дерягин Б.В.Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок.- М.: Наука, 1986.- 295 с.

221. Таблицы физических величин.Справочник. Под ред. И.К.Кикоина.- М.: Атомиздат,1976.- 1008 с.

222. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г.Справочник по элементарной физике.- М.: Наука, 1988.254 с.

223. Wright О.В. Ultrafast nonequilibrium stress generation in gold and silver // Phys. Rev. B.1994. V.49.- P. 9985-9988.

224. Belousova I.M., Mironova N.G., Yur'ev N.S. Theoretical investigation of nonlinear limiting of laser radiation power by suspensions of carbon particles//Optics and Spectroscopy.- 2003.-V.94.- P.86-91.

225. Ganeev R.A., Ryasnyansky A.I., Kamalov Sh.R., Usmanov T.J. Nonlinear susceptibilities, absorption coefficients and refractive indices of colloidal metals// J. Phys. D: Appl. Phys.-2001.- V. 34.- P.1602-1611.

226. Гаврилюк А. П., Краснов И. В., Полютов С. П, Шапарев Н. Я. Резонансные лазерные воздействия эффективный метод управления состоянием газа и плазмы.// Изв.вузов. Физика.- 1999.- №8.- С.96-105.ь ©

227. Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Шапарев Н.Я. Моделирование и оптимизация управляющих лазерных воздействий.//Вычислительные технологии.- 2004.- Т.9.-С.44-52.