Генерация высокотемпературной плазмы и массоперенос аблируемых частиц при воздействии последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на твердотельные мишени в газовой среде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ
|
Макаров, Иван Андреевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2008
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.21
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
^447375
МАКАРОВ ИВАН АНДРЕЕВИЧ
ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ II МАССОПЕРЕНОС АБЛИРУЕМЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МИШЕНИ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
Специальность 01 04 21 - лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени . лпОЧ
а Й СЕп
кандидата физико-математических ^
Москва - 2008
003447375
Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М В Ломоносова
Научный руководитель
доктор физико-математических наук, профессор Гордиенко Вячеслав Михайлович
Официальные оппоненты
доктор физико-математических наук Першин Сергей Михайлович
кандидат физико-математических наук Ашитков Сергей Игоревич
Ведущая организация
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН
Защита состоится "16" октября 2008 года в 17— часов на заседании диссертационного совета Д 501 001 31 при Московском государственном университете имени МВ Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д 1, сгр62, корпус нелинейной оптики, аудитория им С.А Ахманова
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М В Ломоносова
Автореферат раз]
Ученый секр' диссертацион) кандидат физ
Т М Ильинова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Стремительный прогресс в создании мощных фемтосекундных лазерных систем привел к возможности генерации в лабораторных условиях сверхсильных световых полей (1>1016 Вт/см2), недоступных для получения иными методами Использование сверхсильных световых полей делает возможным изучение фундаментальных свойств вещества в экстремальных и сильно неравновесных состояниях, возникающих в высокотемпературной плазме фемтосекундного лазерного импульса Ключевой особенностью такой плазмы является ее высокие величины плотности (порядка твердотельной) и кратности ионизации атомов, двухкомпонентное распределение электронов по энергиям, отвечающее тепловым и "горячим" электронам При интенсивностях сфокусированного лазерного излучения порядка 1~1016 Вт/см2 индуцированная фемтосекундная лазерная плазма является источником рентгеновских квантов с энергиями от сотен электрон-вольт (эВ) до нескольких десятков кэВ, представляя интерес с точки зрения создания источников жесткого рентгеновского излучения сверхкороткой длительности, возбуждения ядер, получения нейтронов и др
Средняя энергия горячей электронной компоненты плазмы и выход жесткого рентгеновского излучения, зависят не только от параметров лазерного излучения, но и определяются свойствами твердотельных мишеней Особый интерес представляют лазерно-модифицированные мишени (кратеры), формирующиеся в результате процессов лазерной абляции, из-за простоты их получения в самом эксперименте В то же время, исследований особенности генерации фемтосекундной лазерной плазмы в глубоких кратерах (каналах), сформированных в результате многоимпульсного лазерного воздействия на твердотельную мишень как в вакууме, так и в воздухе до недавнего времени не проводилось Более того, ряд практически важных задач (например, лазерная микрообработка и элементный анализ материалов) инициируют интерес к проведению подобных исследований в газовой среде Вместе с тем, присутствие окружающего газа в условиях острой фокусировки мощного фемтосекундного лазерного излучения приводит к возникновению процесса самовоздействия, в результате которого спектр и пространственная мода лазерного пучка искажаются, что негативным образом отражается на значении интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени
Взаимодействие высокоинтенсивного лазерного излучения с твердотельной мишенью в газовой среде сопровождается также процессами абляции - взрывным выносом вещества мишени Причем специфика разлета материала мишени в присутствии окружающего газа такова, что наряду с частицами, летящими "вперед", присутствуют частицы, летящие обратно на мишень Такая специфика лазерно-стимулированного массопереноса частиц
недавно нашла применение в методиках лазерного напыления сверхпрочных углеродных покрытий (в том числе алмазоподобных пленок, пленок нитрида углерода и др) по схеме обратного лазерного напыления Результаты сравнительных исследований формирования тонкопленочных углеродных покрытий методами прямого (стандартного) и обратного лазерного напыления с использованием наносекундного лазерного излучения показывают, что морфология углеродных пленок, полученных по схеме обратного напыления, отличается в лучшую сторону от морфологии пленок прямого напыления На сегодняшний день подобных исследований с использованием лазерных импульсов фемтосекундной длительности не проводилось Вместе с тем, иные условия абляции и достижение более высоких интенсивностей воздействующего фемтосекундного лазерного излучения на мишень по сравнению с наносекундным могут приводить к реализации качественно новых условий формирования тонкопленочных покрытий на коллекторах
Таким образом, целями настоящей диссертационной работы являлись
1 Исследование зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы от номера импульса при многократном воздействии высокоинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением на твердотельную мишень, находящуюся как в вакууме, так и в газовой среде Определение средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой в абляционном канале твердотельной мишени
2 Исследование возможности управления выходом жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы в режиме двухимпульсного лазерного воздействия на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый импульс инициирует низкопороговый приповерхностный оптический пробой воздуха и обеспечивает формирование зоны пониженной плотности, а второй импульс взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях
3 Сравнительное исследование особенностей формирования тонких углеродных пленок при импульсно-периодической фемтосекундной лазерной абляции углеродной мишени, находящейся в газе низкого давления, в схемах прямого и обратного лазерного напыления
Научная новизна
1 Впервые исследована зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся как в вакууме, так и в воздухе от номера воздействующего лазерного импульса Впервые определена средняя энергия горячих электронов такой плазмы в абляционном канале твердотельной мишени, формируемом в результате многократного воздействия
4
фемтосекундным лазерным излучением на нее Обнаружен рост средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени по сравнению со средней энергией горячих электронов плазмы, зажигаемой на поверхности мишени Установлено влияние положения фокуса фемтосекундного лазерного пучка и давления воздуха на длину канала, которому соответствует максимальный выход жесткого рентгеновского излучения горячей плазмы (канал максимального выхода жесткого рентгеновского излучения) 2 Предложен и реализован двухимпульсный режим лазерного воздействия на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый (наносекундный) лазерный импульс (т»30 не, ).=308нм, 1«108 Вт/см2) инициирует приповерхностный оптический пробой и последующее формирование зоны пониженной плотности газа, а второй -высокоинтенсивный фемтосекундный лазерный импульс (т=110 фс, Х=1 24 мкм, 1= 10,& Вт/см2) - взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях Показано, что возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения в двухимпульсном (нано+фемто) режиме воздействия на алюминиевую мишень по сравнению с одноимпульсным (фемто) достигает 17 раз (на поверхности) и 8 раз (в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения) 3 Впервые проведены сравнительные исследования формирования углеродных пленок методами прямого и обратного лазерного напыления в атмосфере азота (Р=Ю 3 Topp) с использованием лазерного излучения фемтосекундной длительности (тк110фс, Х=1 24 мкм, £=10 Дж/см2) Обнаружено, что морфология поверхности углеродной пленки, полученной в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота по методике обратного напыления отличается от морфологии поверхности пленки, сформированной методом прямого лазерного напыления, меньшим параметром шероховатости При этом параметр шероховатости поверхностей пленок прямого (обратного) напыления изменялся от 55 нм (40 нм) в центре до 20 нм (10 нм) на расстоянии 0 4 см от центра соответственно Научная и практическая значимость
Измерения выхода жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы лазерно-модифицированных твердотельных мишеней (кратеров и каналов) дополняет информацию о параметрах воздействующего излучения, что может быть использовано в задачах лазерной микрообработки материалов (при 1>1015 Вт/см2) Сочетание данных по средней скорости абляции материала мишени и
жесткого характеристического рентгеновского излучения плазмы открывает новые возможности послойного элементного анализа материалов сложных мишеней
Продемонстрированная возможность управления эффективностью генерации жесткого рентгеновского излучения горячей плазмы твердотельной мишени в режиме двухимпульсного лазерного воздействия на нее, в котором первый лазерный импульс инициирует формирование "квазивакуумных" условий взаимодействия для второго -высокоинтенсивного - фемтосекундного лазерного импульса, открывает новые перспективы создания мощных "настольных" источников жесткого рентгеновского излучения без использования вакуумной системы
Более высокое качество поверхности углеродных покрытий, полученных при фемтосекундном лазерном воздействии на пенографит в газе низкого давления по методике обратного лазерного напыления, по сравнению с пленками, созданными по стандартной методике прямого лазерного напыления (практически полное отсутствие микрокапель и малый параметр шероховатости), указывает на перспективность использования методики обратного лазерного напыления
Защищаемые положения
1 Зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени от номера воздействующего импульса немонотонна При этом средняя энергия горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой в абляционном канале твердотельной мишени, достигает величины выше средней энергии горячих электронов плазмы, генерируемой на поверхности мишени
2 Двухимпульсный режим лазерного воздействия на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый импульс наносекундной длительности инициирует приповерхностный пробой воздуха и последующее образование перед мишенью зоны пониженной плотности газа, а второй высокоинтенсивный фемтосекундный лазерный импульс взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях, позволяет увеличить выход жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени по сравнению с режимом одноимпульсного (фемтосекундного) лазерного воздействия
3 Схема обратного лазерного напыления позволяет получать в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением (т=110 фс, Х=1 24 мкм, £=10 Дж/см2) на пенографит в атмосфере азота (Р=0 3 Topp) тонкопленочные углеродные покрытия с параметром шероховатости поверхности меньшим, чем у пленок, сформированных по схеме прямого лазерного напыления
6
Апробация работы и публикации
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях 10-я Международная конференция по микро и нанотехнологиям LAMN-X (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 13-й Международный симпозиум по лазерной физике LPHYS-04 (Триеста, Италия, 2004), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO-2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005" (Москва, Россия, 2005), Международная конференция по лазерам и лазерным технологиям "LAT-2006" (Смолян, Болгария, 2006), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO-2007 (Минск, Белоруссия, 2007), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2007" (Москва, Россия, 2007), Международная конференция "Фундаментальные основы лазерных микро и нанотехнологий" FLAMN-07 (Санкт-Петербург, Россия, 2007), а также изложены в двенадцати авторских публикациях, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК
Список опубликованных работ приведен в конце настоящего реферата
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов экспериментов, а также их интерпретация
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, благодарностей и списка цитированной литературы Работа изложена на 105 страницах, включает 39 рисунков, 2 таблицы и список литературы с общим числом ссылок 126
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обсуждается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели, задачи исследования, защищаемые положения, определяется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также приводится краткое содержание диссертационной работы
Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертационной работы В параграфе § 1 1 обсуждаются основные физические механизмы генерации горячей плазмы на гладкой поверхности твердотельной мишени при воздействии на нее высокоинтенсивным
7
фемтосекундным лазерным излучением в вакууме Приводится ряд зависимостей характеристик такой плазмы (средняя энергия горячих электронов, интегральный выход жесткого рентгеновского излучения) от параметров фемтосекундного лазерного излучения (интенсивность, длина волны, контраст) Особенности генерации горячей плазмы при взаимодействии высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с модифицированными твердотельными мишенями обсуждаются в параграфе §12 Обсуждается генерация такой плазмы в канале твердотельной мишени, формируемом в результате многократного воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на нее В параграфе §1 3 рассмотрены проблемы доставки высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения на мишень, находящуюся в газовой среде, и связанные с самовоздействием лазерного излучения В параграфе § 1 4 обсуждаются вопросы лазерного управления плотностью газа вблизи поверхности мишени за счет инициирования низкопорогового оптического пробоя газа и последующего расширения низкотемпературной плазмы из зоны взаимодействия С целью подавления процессов самовоздействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения при его доставке на мишень в газовой среде и более эффективной генерации горячей плазмы обсуждается двухимпульсный режим лазерного воздействия, в котором первый лазерный импульс создает такие "квазивакуумные" условия взаимодействия для второго - высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса В параграфе §1 5 рассматриваются процессы абляции и массопереноса аблированных частиц в газовой среде, обсуждается новая методика лазерного напыления тонкопленочных покрытий по схеме обратного напыления В выводах к первой главе на основании обзора литературы дается обоснование поставленным в диссертационной работе целям в виде кратких формулировок неисследованных задач, объединенных темой работы
Во второй главе диссертационной работы приводится краткое описание хром-форстеритовой фемтосекундной лазерной системы, излучение которой использовалось в экспериментах, и приводятся результаты измерений основных его параметров (энергия в импульсе, длительность импульса, спектр и контраст излучения) В параграфе §2.1 описывается принципиальная схема фемтосекундной хром-форстеритовой лазерной системы (длина волны ?.=1 24 мкм, минимальная длительность импульса т=110 фс, выходная энергия Е<0 9 мДж) В параграфе §2 2 приводится описание измерений длительности импульса и спектра излучения на выходе из системы В параграфе §2 3 обсуждаются результаты измерений контраста излучения фемтосекундной лазерной системы с использованием схемы неколлинеарной генерации третьей гармоники Контраст основного фемтосекундного лазерного импульса по отношению к предимпульсу составил ~103 (по интенсивности) В параграфе §2 4 описываются методика и результаты измерений диаметров лазерных пучков в
8
фокусе безаберрационного объектива (F=6cm) и линзы (F=10cm), использовавшихся в экспериментах, которые составили 6 мкм и 10 мкм (по уровню интенсивности "1/е") соответственно
Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию особенностей генерации высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени, формируемом последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере газовой среды различного давления В параграфе §3 1 приводится описание схемы эксперимента и использовавшихся методик диагностики фемтосекундной лазерной плазмы (см Рис 1) Р-поляризованное фемтосекундное лазерное
излучение фокусировалось на мишень под углом 45° при помощи безаберрационного объектива или линзы Специальным образом изготовленный мишенный узел позволял использовать в качестве мишеней тонкие фольги и фиксировать момент их перфорации при помощи фотодетектора, , _ . , расположенного сзади Данный
Рис 1 Схема экспериментальной установки 1 - излучение
хром-форстеритового лазера. 2 - объектив um линза, 3 - мишенный узел располагался в камера взаимодействия, 4 - фотодетектор, 5 - мишенный
узел (на врезке 5а - мишень, 5Ь - стеклянная пластинка), б вакуумной камере, куда был - зарядово-чувствительный усилитель, 7 - аналогово-
цифровой преобразователь, S - компьютер с платой предусмотрен контролируемый напуск сопряжения; DI, D2 - рентгеновские детекторы, F -
рентгеновские фильтры, S-волоконный спектрометр атмосферного воздуха (ИЛИ других газов) до давлений 760 Topp Откачка газов производилась форвакуумным насосом до остаточного давления не хуже 10"2 Topp Перемещение мишени в эксперименте по вертикали и по горизонтали осуществлялось при помощи микрометрических винтов с минимальным шагом 10 мкм Характеризация высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени осуществлялась при помощи двух Nal сцинтилляционных детекторов на базе ФЭУ-119, установленных перед окнами вакуумной камеры Соответствующие окна вакуумной камеры и окна рентгеновских детекторов были "заглушены" бериллиевыми фильтрами толщиной по 100 мкм каждый Это обеспечивало границу пропускания данных детекторов по энергии регистрируемых жестких рентгеновских квантов около 2 5 кэВ (по уровню 0 05) Установка дополнительных рентгеновских фильтров (набор алюминиевых, танталовых и медных фольг разной толщины) позволяла измерять интегральный выход рентгеновского излучения в другие спектральные диапазоны Сигналы с рентгеновских детекторов после усиления в зарядово-чувствительном усилителе (ЗЧУ) попадали на вход аналогово-цифрового преобразователя, сопряженного через USB-порт с персональным
9
компьютером Данные, поступающие в режиме реального времени с рентгеновских детекторов, записывались в файл В дальнейшем производилась оценка средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы по известной методике фильтров Специфика определения средней энергии горячих электронов по данной методике требовала учета поглощения рентгеновских квантов материалом самой мишени по мере заглубления их источника - горячей плазмы - от импульса к импульсу Необходимая корректировка толщины рентгеновских фильтров производилась с учетом средней скорости абляции материала мишени, которая оценивалась по формуле Ьяы= Нея/М,^ (где Н^г -эффективная толщина мишени по направлению падения лазерного излучения, Ы^ -количество лазерных импульсов, необходимых для перфорации фольги)
Параграф §3 2 посвящен исследованию увеличения эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы в абляционном канале твердотельной мишени, находящейся в атмосфере газа Вначале нами были определены величины средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой первым импульсом на поверхности прозрачных на длине волны падающего фемтосекундного лазерного излучения (ВаРг, 5|) и непрозрачных (Т1, А!) твердотельных мишеней в вакууме Средние энергии горячих электронов плазмы составили Тьм (Т1) ~ Ть« (ВаР2) = 5 кэВ и Ть« (81) = Тк01 (А1) ~ 8 кэВ при интенсивностях фемтосекундного лазерного излучения на поверхности мишеней 1=8 1015 Вт/см2 и 1=1-1016 Вт/см2 соответственно Поскольку средняя энергия не зависит от материала мишени, то равенство средних энергий горячего электронного компонента плазмы прозрачных и непрозрачных твердотельных мишеней подтверждало факт высокого контраста фемтосекундного лазерного излучения, измеренного в параграфе §2 3 При этом известная зависимость средней энергии горячего электронного компонента плазмы от интенсивности падающего излучения Тьм~(1^2)2'3 при хорошем контрасте фемтосекундного лазерного излучения отвечала полученным данным
В дальнейшем измерялись зависимости выхода жесткого (Е>2 5 кэВ и Е>10 кэВ) рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы алюминиевой мишени от номера импульса в вакууме и при различных давлениях воздуха Интенсивность падающего лазерного излучения на мишени в вакууме составляла 1=1016 Вт/см2 На Рис 2 представлены данные зависимости ("пачки") для диапазона энергий жестких рентгеновских квантов Е>10 кэВ Окончание каждой пачки соответствовало номеру импульса Ир^г, при котором наблюдалась перфорация алюминиевой фольги толщиной 50 мкм
10000 8000 | 6000
5 4000 >
2000 о
(1)
О 10 20 30 40 SO
10 20 „ 30 40 SO N
Рис 2 Зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения Y из плазмы алюминиевой мишени от номера импульса N при различных величинах давления воздуха в камере взаимодействия (1) - 101 Topp, (2) - 400 Topp и (3) - 760 Topp
Из Рис 2 видно, что количество лазерных импульсов, необходимых для перфорации фольги, с ростом давления газовой среды увеличивается, что указывает на ухудшение условий абляции мишени в присутствии газовой среды Установлено немонотонное поведение выхода жесткого рентгеновского излучения в пачке В первых импульсах наблюдается рост выхода жесткого рентгеновского излучения Y с номером импульса N, достижение максимального значения при N=N„,3, и последующий спад данной зависимости Максимальное возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения в пачке составило от 2 раз (в вакууме) до 4 раз (в воздухе атмосферного давления) Также были построены зависимости средних энергий горячего электронного компонента плазмы Ти в канале (при N=Nmax) от давления воздуха, которые оказались монотонно спадающими (Рис 3)
В вакууме средняя энергия Ты в канале составила 13±3 кэВ (на поверхности ThM = 8±2 кэВ) Возрастание интенсивности фемтосекундного _ лазерного излучения в канале по сравнению со
16, .
Iii
h-
400 600 P.Topp
значением на поверхности, оцененное для вакуумных условий с учетом зависимости Тьм~12/3, оказалось примерно двукратным Кроме того, средняя энергия горячей электронной компоненты плазмы в канале оказалась не ниже средней энергии горячей электронной компоненты плазмы, зажигаемой на поверхности мишени в вакууме вплоть до давлений окружающего воздуха 0 5 атм В параграфе §3 3 исследовалась зависимость
Рис 3 Зависимость средней энергии горячей электронной компоненты плазмы Т/ю, в канале алюминиевой мишени в точке максимального выхода жесткого рентгеновского излучения от давления воздуха Р Штриховой линией отмечено измеренное значение средней энергии горячей э!ектронной компоненты плазмы на поверхности мишени в вакууме кэВ
выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы в канале и средняя скорость абляции алюминиевой мишени, находящейся в воздухе, при различных режимах фокусировки (заглубление фокуса под поверхность или точная фокусировка) Было установлено, что заглубление фокуса объектива под поверхность алюминиевой мишени в вакууме на величину 100 мкм (сопоставимую с длиной перетяжки) приводит к росту средней
энергии горячей электронной компоненты плазмы в канале от Thot«13 кэВ до 18 кэВ. Обнаружено, что как в вакууме, так и в атмосфере воздуха заглубление фокуса объектива под поверхность алюминиевой мишени на 50-100 мкм приводит к возрастанию максимального выхода жесткого рентгеновского излучения из канала примерно в 1.5 раза по сравнению с режимом фокусировки лазерного излучения на поверхность мишени. Установлено, что в условиях фокусировки фемтосекундного лазерного излучения на мишень линзой или объективом, но в режиме заглубления фокуса под поверхность, длина канала максимального выхода жесткого рентгеновского излучения не зависит от давления воздуха. Измерены зависимости средних скоростей абляции алюминиевой мишени от давления воздуха при плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения на поверхности мишени в вакууме е=103 Дж/см2. Выявлено монотонное сокращение средней скорости абляции алюминиевой мишени в этих условиях от Ьаы=6.0±0.4 мкм (в вакууме) до Ьаы=1.7±0,2 мкм (в воздухе атмосферного давления). Определена зависимость длины канала Lmx, соответствующего максимальному выходу жесткого рентгеновского излучения от давления газовой среды. В условиях эксперимента обнаружена "стабилизация" этой величины на уровне Lmax =40-50 мкм при давлениях воздуха Р>400 Topp.
Параграф §3.4 посвящен измерениям размеров кратеров в алюминиевых фольгах (см. Рис.4), а также характеризации сквозных каналов в них (измерение диаметров входных и выходных отверстий, определение аспектного соотношения), сформированных в результате воздействия последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на мишень.
В параграфе §3.5 приводятся результаты измерений спектра второй гармоники из плазмы в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения при воздействии на алюминиевую мишень в вакууме и в различных газах (дейтерий, воздух, криптон) фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1=1016 Вт/см2 (в вакуумных условиях). В присутствии воздуха обнаружен сдвиг спектра второй гармоники плазмы в голубую область на 6 нм. По этому сдвигу спектра второй гармоники, отраженной из канала алюминиевой мишени обратно
Рис. 4 Кратер в алюминиевой фольге (толщина 50 мкм) после первого импульса. Метка на снимке соответствует 10 мкм. Снимок получен сканирующим электронным микроскопом ЬЕО-1430УР.
направлению падения фемтосекундного лазерного излучения, оценена средняя концентрация электронов плазмы воздуха, которая составила Ne =10" Вт/см2
Глава 4 посвящена исследованию возможности управления выходом жесткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной плазмы мишени в воздухе в режиме двухимпульсного лазерного воздействия в воздухе на мишень В этой схеме первый лазерный импульс создает зону разреженной плотности газа за счет инициирования приповерхностного оптического пробоя и последующего разлета низкотемпературной плазмы газа, а второй - высокоинтенсивный фемтосекундный лазерный импульс -взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях
В параграфе §4.1 приводится описание схемы данного эксперимента (см Рис 5)
Двухимпульсное лазерное воздействие на мишень производилось в воздухе при помощи излучений эксимерного XeCI лазера (Е»5 мДж, 1=308 нм, т=30 не) и фемтосекундной лазерной системы на хром-форстерите (Е=400 мкДж, >.=1240 нм, т»110 фс), синхронизированных между собой Излучение XeCI лазера фокусировалось на алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм под углом 45' линзой (F=28 см) При этом площадь видимой области ожога составляла 200*300 мкм, а интенсивность наносекундного лазерного излучения на поверхности мишени 1=>108 Вт/см2 Фемтосекундное лазерное
излучение фокусировалось в центральную область данного пятна по нормали к мишени при помощи объектива, обеспечивая интенсивность на мишени в вакуумных условиях 1=1016 Вт/см2 Измерение выхода жесткого рентгеновского излучения горячей плазмы осуществлялось рентгеновским детектором по стандартной схеме (см Рис 1) Излучение гелий-неонового лазера использовалось для совмещения пучков фемтосекундного и наносекундного лазеров на поверхности мишени Контроль временной задержки между первым (наносекундным) и вторым (фемтосекундным) лазерными импульсами осуществлялся на цифровом осциллографе Tektronix TDS1012, на который приходили сигналы с фотодетекторов, подвергшихся воздействию излучений лазеров, отведенных плоскопараллельными пластинами из соответствующих трактов Синхронизация импульсов
I1 2
Рис 5 Схема экспериментальной установки 1 - мишень, 2 - объектив (Т7 =6 см), 3 - линза (Л=28 см), 4 • экран для визуализации епекл'картин; 5 — фотоэлектронный умножитель, 6 - зарядово-чувствительный усилитель, 7-аналогово-цифровой преобразователь, 8 - компьютер, 9 -гелий-неоновый лазер, 10 - хром-форстеритовый лазер, 11 - блок-схема управления задержкой между импульсами, 12 - эксимерньгй ксенон-хлоровый лазер, 13 -осиллограф, Г - бериллиевый фильтр, Р1, Р2 -стеклянная и кварцевая отклоняющие пластины, 01, Э2 - детекторы лазерного излучения
эксимерного и хром-форстеритового лазеров производилась во временном диапазоне 5-120 мкс
В параграфе §4 2 в двухимпульсном режиме лазерного воздействия на А1-мишень в воздухе установлена величина оптимального времени задержки между импульсами ДЫО мкс, при которой выход жесткого (Е>2 5 кэВ) рентгеновского излучения в эксперименте был
максимальным При этом возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения из фемтосекундной лазерной плазмы алюминиевой мишени составило по сравнению с одноимпульсным режимом воздействия -17 раз (на поверхности) и 8 раз (в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения) (см Рис 6)
Как следует из анализа, выполненного в параграфе §4 3, это обстоятельство свидетельствует о понижении плотности
15 12
S 9 i 6
3
х5
20
40
60
Рис 6 Зависимость выхода жесткого (Е>2 5 кэВ) рентгеновского излучения У из фемтосекундной лазерной плазмы от номера импульса N двухимпульсном (I) и одноимпульсном (2) режимах воздуха в приповерхностной области мишени лазерного воздействия на алюминиевую мишень в
атмосфере воздуха Масштаб диаграммы (2) И в канале максимального выхода жесткого увеличен в пять раз
рентгеновского излучения до давлении около
40 Topp и 100 Topp соответственно
В Главе 5 исследуются особенности прямого и обратного массопереноса аблированных частиц при импульсно-периодическом воздействии фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в азоте низкого давления Выбор пенографита в качестве мишени был обусловлен известным интересом к получению углеродных и нитрид-углеродных тонких пленок
В параграфе §51 приведено описание схемы экспериментальной установки по формированию тонкопленочных покрытий в результате импульсно-периодической фемтосекундной лазерной абляции пенографита в атмосфере азота (Рис 7) Фемтосекундное лазерное излучение (Д.=1 24 мкм, т=110 фс, Б»400 мкДж, частота следования фемтосекундных лазерных импульсов 10 Гц) фокусировалось при помощи линзы (F=10 см) на мишень под углом 45°, обеспечивая плотность лазерной энергии е«10 Дж/см2 (Ы0М Вт/см2) В качестве мишени нами использовалась относительно недавно разработанная новая форма химически чистого графита (99,99%) - пенографит с плотностью р=0 7 г/см3 К числу достоинств мишени пенографита в схеме лазерного напыления тонкопленочных покрытий можно отнести высокую эффективность лазерной абляции за счет его более развитой
поглощающей поверхности Мишенный узел и система сбора аблированных частиц были реализованы следующим образом Узкая полоса фольги пенографита (ширина 2000 мкм, толщина160 мкм) размещалась на кремниевой Si(100) пластине, служащей одновременно
коллектором аблированных частиц,
5
А - рассеянных в ходе эксперимента обратно
на мишень и близлежащие области
На расстоянии «1 см перед мишенью параллельно плоскости последней располагался кремниевый Si(100) коллектор аблированных частиц Сложная Рис 7 Схема формирования тонштеночных углеродных мишень закреплялась на
покрытий 1 - фемтосекундное лазерное излучение, 2 -
линза, 3 - програ.ммно-управляе*ая подвижка, 4 - Двухкоординатной программно-
мишенъ пенографита, 5 - кремниевые когккторы. управляемой подвижке Система "мишень-
коллектор" помещалась в вакуумную камеру с системой последовательной откачки газа от 760 Topp до =10"2 Topp (с использованием форвакуумного насоса) и от 10"2 Topp до давлений остаточного газа -10"4 Topp (под действием турбомолекулярного насоса) Напыление производилось при давлении азота (степень очистки 99,5 %) 0.3 Topp в течение 2 ч, что соответствовало итоговому количеству импульсов 72000
В параграфе §5 2 приведены результаты измерений профилей толщины пленок прямого и обратного напыления в зависимости от радиуса и полученные при помощи сканирующего зондового микроскопа Stand Alone "Smena" Определена средняя скорость абляции пенографита (1 1 ± 0 2 мкм/импульс), а также объемы выносимого (10"' см3) и напыляемого (равно на оба коллектора по 4 Ю"10 см') материала за импульс Показано, что суммарный объем напыления материала на коллекторы прямого и обратного сбора составил примерно 80% от общего объема аблированного вещества мишени
В параграфе §5 3 приводятся результаты исследований химического состава пленок, полученные методом фотоэлектронной Оже-микроскопии, а также приводятся данные о морфологии поверхностей пленок, полученные при помощи техник сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопий Состав пленок прямого и обратного напыления оказался для обеих пленок примерно одинаковым С - 90%, О - 10% В полученных пленках азот зарегистрирован не был На снимках, полученных сканирующим электронным микроскопом LEO-1430VP, обнаружено, что поверхность пленки обратного напыления практически свободна от микрочастиц, в то время как на поверхности пленки прямого напыления (особенно в центральной области) присутствуют частицы с поперечным размером в несколько микрон (см Рис 8) При помощи сканирующего зондового микроскопа измерена
зависимость параметра шероховатости поверхностей пленок от радиуса, который изменялся
15
от 55 нм (40 нм) в центре до 20 нм (10 нм) на расстоянии 0.4 см от центра для пленок прямого (обратного) напыления соответственно.
Рис. 5 Поверхности пленок прямого (а, б) и обратного (в, г) напыления, (а, в) - центральные области напыления, (б, г) - периферийные области на расстоянии 0,4 см от центров. Метка на снимках соответствует масштабу 10 мкм.
Заключение
Основные результаты, полученные в рамках настоящей диссертации можно сформулировать следующим образом:
1. Создана экспериментальная установка, позволяющая: проводить комплексные исследования фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени, формируемом последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов (минимальная длительность импульса т=110фс, Х=\.2А мкм, Е=400 мкДж, частота следования импульсов v=l-10 Гц, интенсивность 1~1014-1016 Вт/см2) в присутствии газовой среды различного давления (РЮ.01-760 Topp); исследовать вопросы управления выходом жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной
лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся в воздухе, в двухимпульсном режиме лазерного воздействия на нее, определять средние скорости фемтосекундной лазерной абляции твердотельных мишеней, исследовать особенности формирования тонкопленочных покрытий на коллекторах в результате прямого и обратного массопереноса аблированных частиц мишени в газе
2 Установлено, что зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся в газовой среде различного давления (Р=0 01-760 Topp), от номера воздействующего лазерного импульса имеет экстремум При интенсивности фемтосекундного лазерного излучения на поверхности мишени 1=1016 Вт/см2 (в вакууме) максимальное возрастание выхода жесткой (Е>10 кэВ) рентгеновской компоненты в канале алюминиевой мишени составило =2 раза (Р—0,01 Topp) и «4 раза (Р=760 Topp)
3 Впервые проведены сравнительные измерения средней энергии горячей электронной компоненты плазмы на поверхности мишени и в абляционном канале В вакууме обнаружено возрастание средней энергии горячей электронной компоненты плазмы алюминиевой мишени от Тьм=8±2 кэВ (на поверхности) до Ть«=13±3 кэВ (в канале) при интенсивности фемтосекундного лазерного излучения на мишени 1«1016 Вт/см2
4 Предложен и реализован двухимпульсный режим лазерного воздействия на твердотельную мишень, находящуюся при атмосферных условиях, в котором первый (наносекундный) лазерный импульс (т=30 не, л=308нм, 1=108 Вт/см2) инициировал приповерхностный оптический пробой, обеспечивая формирование зоны разреженной плотности газа и, как следствие, подавление нелинейных процессов самовоздействия второго (фемтосекундного высокоинтенсивного) лазерного импульса (т=110 фс, ?.~1 24 мкм, ЫО16 Вт/см2) при его доставке на мишень Установлена величина оптимального времени задержки между импульсами At=10 мке, при которой выход жесткого (Е>2 5 кэВ) рентгеновского излучения в эксперименте был максимальным Этой задержке между импульсами соответствовало возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения в двухимпульсном (нано+фемто) режиме воздействия на алюминиевую мишень по сравнению с одноимпульсным (фемто) до 17 раз (на поверхности) и до 8 раз (в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения) Это обстоятельство свидетельствует о понижении плотности воздуха в приповерхностной области мишени и в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения до величин, соответствующих давлениям около 40 Topp и 100 Topp соответственно
5 Впервые проведены сравнительные исследования формирования углеродных пленок методами прямого и обратного лазерного напыления в атмосфере азота (P=fl 3 Торр) с использованием лазерного излучения фемтосекундной длительности (т=110 фс, \=1 24 мкм, ея 10 Дж/см2) Обнаружено, что морфология поверхности углеродной пленки, полученной в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота по методике обратного напыления, отличается от морфологии поверхности пленки, сформированной методом прямого лазерного напыления, меньшим параметром шероховатости При этом параметр шероховатости поверхностей пленок прямого (обратного) напыления изменялся от 55 нм (40 нм) в центре до 20 нм (10 нм) на расстоянии 0 4 см от центра соответственно
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
1 В М Гордиенко, И А Макаров, Е В Раков, А Б Савельев, "Подповерхностная генерация жесткого рентгеновского излучения при импульсно-периодическом воздействии на мишень из ВаБг излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера при интенсивностях ниже 1015 Вт/см2"// Квантовая электроника 35(6), 487-488 (2005)
2 И А Макаров, Е В Раков, "Подповерхностная генерация жесткого рентгеновского излучения при импульсно-периодическом воздействии на мишень BaF2 излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера"// Сборник тезисов XII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005", 12-15 апреля, Москва, 1, 166-167 (2005)
3 V М Gordienko, Yu Ya Kuzyako v, IA Makarov, E V Rakov, "Interaction of supenntense femtosecond laser radiation with foam-carbon in the atmosphere of chemical active nitrogen"// Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2005, May 11-15, St Petersburg, Russia, IThV16 (2005)
4 V M Gordienko, IA Makarov, E V Rakov, "Hot plasma diagnostics during femtosecond laser ablation in a cavity"// Procc of SPIE 6606,66060S (2007)
5. В M Гордиенко, M С Джиджоев, И А Жвания, И Ф Макаров, "Увеличение выхода рентгеновского излучения при двухимпульсном воздействии лазерным излучением на твердотельную мишень в газовой среде"// Квантовая электроника 37(7), 599-600 (2007)
6 V М Gordienko, М S Dzhidzhoev, IA Makarov, IA Zhvania, "Enhanced X-ray Emission from Hot Plasma produced by Double-Pulse Laser Irradiation of Solid Target at Atmospheric Conditions"// Procc of SPIE 6726,67261M (2007)
7 В М Гордиенко, В А Дъяков, Ю Я Кузяков, И А Макаров, Е В Раков, М А Тимофеев, "Формирование тонких пленок при прямом и обратном переносе аблированных частиц в результате воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота"// Квантовая электроника 37(3), 285289 (2007)
8 VM Gordienko, MS Djidjoev, I A Makarov, A A Podshivalov, IA Zhvania, "Hot plasma control and diagnostics during femtosecond Cr forstente laser micromachimng in ambient air // Abstracts of International Conference Fundamentals of laser assisted micro -and nanotechnologies FLAMN-07, St. Peterburg, 25-28 June, 13 (2007)
9 V M Gordienko, M S Dzhidzhoev, 1 A Makarov, I A Zhvania, "Enchanced X-ray emission from hot plasma produced by double-pulse laser irradiation of solid target at atmosphcnc conditions"// Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus, 28 May-1 June 2007,103-14 (2007)
10 V M Gordienko, A S Khomenko, I A Makarov, E V Rakov, "Hot electron production and harmonic generation from plasma in a channel produced by supenntense femtosecond laser radiation in solid targets"// Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2007, Minsk, Belarus, 28 May 28 - 1 June, I03/V-5 (2007)
11 И А Жвания, И А Макаров, "Рентгеновский высвет при двухимпульсном воздействии лазерным излучением на мишень в газовой среде"// Сборник тезисов XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2007", Москва, 11- 14 апреля, 126 (2007)
12 V. М Gordienko, I A Zhvania, I A Makarov, "Hot microplasma in the channel of a solid target induced by a sequence of femtosecond laser pulses"// Laser Physics 18(4), 380-386 (2008)
¥
Подписано в печать 10 09 2008 г
Печать трафаретная
Заказ № 699 Тираж' 100 экз
Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (499) 788-78-56 www autoreferat ru
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МИШЕНЬЮ В ВОЗДУХЕ.
§1.1 Генерация фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени в вакууме
§1.2 Фемтосекундная лазерная плазма модифицированных мишеней.
§1.3 Доставка фемтосекундного лазерного излучения на мишень в условиях ионизации газовой среды.
§1.4 Лазерное управление плотностью газа вблизи поверхности мишени.
§1.5 Процессы абляции и формирование тонкопленочных покрытий при взаимодействии высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью.
Выводы.
ГЛАВА 2. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА НА ХРОМ-ФОРСТЕРИТЕ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
§2.1 Принципиальная схема хром-форстеритовой лазерной системы.
§2.2 Измерение длительности и спектра импульса хром-форстеритовой лазерной системы.
§2.3 Измерение контраста излучения хром-форстеритового лазера.
§2.4 Измерение диаметра лазерного пучка в фокусе объектива и линзы.
Выводы:.
ГЛАВА 3. ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В КАНАЛЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МИШЕНИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ В АТМОСФЕРЕ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ.
§3.1 Описание схемы экспериментальной установки.
§3.2 Увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени.
§3.3 Сравнительное исследование зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы и процессов абляции в различных режимах фокусировки лазерного излучения.
§3.4 Характеризация лазерно-индуцированных каналов твердотельной мишени.
§3.5 Измерение спектра второй гармоники, отраженной из канала мишени назад, и оценка концентрации электронов плазмы воздуха.
Выводы:.
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ПРИ ДВУХИМПУЛЬСНОМ НАНО-ФЕМТОСЕКУНДНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ МИШЕНЬ В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА.
§4.1 Описание схемы экспериментальной установки.
§4.2 Увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени в двухимпульсном режиме воздействия.
§4.3 Оценка степени откачки воздуха на поверхности и в канале мишени.
Выводы:.
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПРИ ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ ПЕРЕНОСЕ АБЛИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФЕМТО СЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ПЕНОГРАФИТ В АЗОТЕ.
§5.1 Описание схемы экспериментальной установки.
§5.2 Оценка объемов вынесенного и напыленного материалов мишени за импульс
§5.3 Сравнение морфологии поверхностей пленок прямого и обратного напыления
Выводы:.
Стремительный прогресс в создании мощных фемтосекундных лазерных систем привел в 80-90-х гг. к появлению новых задач в нелинейной оптике [1,2,3,4]. Фемтосекундные лазерные системы, обладая малой длительностью светового импульса (т~100 фс), позволяют в лабораторных условиях генерировать сверхсильные световые поля, недоступные для получения иными методами. Так фокусировка фемтосекундного лазерного излучения уже миллиджоульного уровня энергии в импульсе позволяет достигать интенсивностей 1~1016 Вт/см2, обеспечивая превышение напряженности светового поля над напряженностью внутриатомного поля. Использование сверхсильных световых полей делает возможным изучение фундаментальных свойств вещества в экстремальных и сильно неравновесных состояниях, а также проведение ядерно-физических экспериментов с использованием корпускулярного и электромагнитного излучения, возникающего в высокотемпературной плазме фемтосекундного лазерного импульса. Ключевой особенностью такой плазмы является ее высокие величины плотности (порядка твердотельной) и кратности ионизации атомов, двухкомпонентное распределение электронов по энергиям, отвечающее тепловым и "горячим" электронам [5,6,7]. При интенсивностях сфокусированного лазерного излучения порядка 1~1016 Вт/см2 индуцированная фемтосекундная лазерная плазма является источником рентгеновских квантов с энергиями от сотен электрон-вольт (эВ) до нескольких десятков кэВ, представляя интерес с точки зрения создания источников жесткого рентгеновского излучения сверхкороткой длительности, возбуждения ядер, получения нейтронов и др.
На сегодняшний день наиболее подробно оказалась рассмотренной задача генерации фемтосекундной лазерной плазмы на гладкой поверхности твердотельной мишени в вакууме. Причины использования гладких мишеней очевидны и заключаются в возможности проведения более простых численных и теоретических оценок основных параметров фемтосекундной лазерной плазмы, а также простоты сравнительного анализа данных эксперимента и теории [8,9]. Вместе с тем, средняя энергия горячей электронной компоненты плазмы и выход жесткого рентгеновского излучения, зависят не только от параметров лазерного излучения, но и определяются свойствами твердотельных мишеней, например, модификацией поверхности. Это обстоятельство используется в задачах управления характеристиками фемтосекундной лазерной плазмы [10,11,12]. Среди рассмотренных в литературе основных типов модифицированных мишеней приводятся пористые мишени [13,14], поверхность с периодическим рельефом [10,15,16], кратер в мишени [17,18] и др. При взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с такого типа мишенями происходит увеличение энерговклада за счет механизмов подавления 4 теплопроводности из зоны поглощения лазерной энергии, увеличения эффективной площади взаимодействия лазерного излучения с мишенью или усиления локального поля на микро- и нано- неоднородностях. В задачах управления параметрами фемтосекундной лазерной плазмы особая роль отводится лазерно-модифицированным мишеням (кратерам, формирующимся в результате процессов лазерной абляции) из-за простоты их формирования в самом эксперименте [19,20]. Вместе с тем, исследований особенностей генерации фемтосекундной лазерной плазмы в глубоких кратерах (каналах), сформированных в результате многоимпульсного лазерного воздействия на твердотельную мишень, как в вакууме, так и в воздухе до недавнего времени не проводилось. В таких каналах можно ожидать роста интенсивности воздействующего излучения на дне в результате концентрации лазерной энергии подобно тому, как это происходит в мишенях пирамидальной и конической форм [19,21,22,23,24]. Причем, как показывают результаты численного моделирования подобных условий взаимодействия (проведенных для мишеней конической формы, специально приготовляемых для задач лазерного термоядерного синтеза) интенсивность лазерного излучения в канале может в несколько раз превышать соответствующий уровень на гладкой поверхности (в условиях вакуума) [21,22]. С практической точки зрения интерес к вопросам характеризации фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой в канале твердотельной мишени, связан с рядом технологий, реализуемых в газовой среде, например, лазерная микрообработка [25,26,27,28] и перфорация материалов [29,30,31], элементный анализ [32,33,34], напыление тонкопленочных покрытий в отсутствие вакуумной камеры [35], биомедицинские технологии [36] и др. В такого рода технологиях жесткое рентгеновское излучение фемтосекундной лазерной плазмы может быть источником информации, например, о параметрах воздействующего излучения [37,38].
Вместе с тем, проведение подобных исследований имеет свои особенности. Высокие интенсивности фемтосекундного лазерного излучения (1>1015 Вт/см2), необходимые для генерации высокотемпературной плазмы твердотельной мишени, находящейся в газовой среде, обеспечивают развитие процессов самовоздействия. Наиболее существенными из них являются ионизация газовой среды световым полем, в результате которой происходит искажение спектра и пространственной моды сфокусированного лазерного пучка [39]. Величины этих искажений тем больше, чем выше концентрация электронов плазмы газа и чем длиннее область взаимодействия лазерного излучения со средой [3]. Последнее условие зависит от остроты фокусировки лазерного излучения и определяется длиной перетяжки фокусирующей линзы. В результате процессов самовоздействия интенсивность и плотность энергии фемтосекундного лазерного излучения на мишени уменьшается, что приводит к ухудшению условий лазерной абляции мишени [38,40,41,42] и должно приводить к ухудшению условий генерации фемтосекундной лазерной плазмы.
Таким образом, при транспортировке высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения на мишень, находящуюся в воздухе, возникает необходимость подавления процессов самовоздействия. Одним из способов такого подавления может быть использование методики двухимпульсного лазерного воздействия, в которой при помощи первого лазерного импульса создается область вблизи поверхности мишени с пониженной плотностью газа (называемой часто в литературе "огненным шаром") за счет инициирования оптического пробоя газа и последующих процессов разлета низкотемпературной плазмы из этой зоны [43,44]. Высокое разрежение газа в таком огненном шаре [45] позволяет рассчитывать на возможность подавления процессов самовоздействия и обеспечить таким образом "квазивакуумные" условия взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с мишенью в газе. В таком аспекте двухимпульсный режим лазерного воздействия на мишень, помещенную в газовую среду, ранее не рассматривался. Актуальность такого рода исследований связана с разработкой новых экспресс-методов элементного анализа материалов с использованием характеристического рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы без использования вакуумной камеры.
Процессы абляции, сопровождающие взаимодействие лазерного излучения с твердотельной мишенью в газовой среде находят практическое применение в задачах лазерного напыления тонкопленочных покрытий [46]. Особый интерес представляют сверхпрочные углеродные покрытия (алмазоподобные пленки, пленки нитрида углерода и др.), формируемые в результате импульсно-периодического воздействия лазерным излучением на углеродные мишени [47,48,49,50,51]. При этом особенность разлета материала мишени в присутствии окружающего газа такова, что наряду с частицами, летящими "вперед", присутствуют частицы, летящие обратно на мишень. Такая специфика лазерно-стимулированного массопереноса частиц недавно нашла применение в методике лазерного напыления таких покрытий по схеме обратного лазерного напыления [52,53,54,55,56]. Результаты сравнительных исследований формирования тонкопленочных углеродных покрытий методами прямого (стандартного) и обратного лазерного напыления с использованием наносекундного лазерного излучения показывают, что морфология углеродных пленок, полученных по схеме обратного напыления, отличается в лучшую сторону от морфологии пленок прямого напыления. Вместе с тем, иные условия абляции и достижение более высоких интенсивностей воздействующего фемтосекундного лазерного излучения на мишень по сравнению с наносекундным могут приводить к реализации качественно новых условий формирования тонкопленочных покрытий на коллекторах.
Цели диссертационной работы:
1. Исследование зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы от номера импульса при многократном воздействии высокоинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением на твердотельную мишень, находящуюся как в вакууме, так и в газовой среде. Определение средней энергии горячей электронной компоненты фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой в абляционном канале твердотельной мишени.
2. Исследование возможности управления выходом жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы в режиме двухимпульсного лазерного воздействия на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый импульс инициирует низкопороговый приповерхностный оптический пробой воздуха и обеспечивает формирование зоны пониженной плотности, а второй импульс взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях.
3. Сравнительное исследование особенностей формирования тонких углеродных пленок при импульсно-периодической фемтосекундной лазерной абляции углеродной мишени, находящейся в газе низкого давления, в схемах прямого и обратного лазерного напыления.
Научная новизна
1. Впервые исследована зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся как в вакууме, так и в воздухе от номера воздействующего лазерного импульса. Впервые определена средняя энергия горячих электронов такой плазмы в абляционном канале твердотельной мишени, формируемом в результате многократного воздействия фемтосекундным лазерным излучением на нее. Обнаружен рост средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени по сравнению со средней энергией горячих электронов плазмы, зажигаемой на поверхности мишени. Установлено влияние положения фокуса фемтосекундного лазерного пучка и давления воздуха на длину канала, которому соответствует максимальный выход жесткого рентгеновского излучения горячей плазмы.
2. Предложен и реализован двухимпульсный режим лазерного воздействия на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый (наносекундный) лазерный импульс (т«30 не, ^=308нм, 1«108 Вт/см2) инициирует приповерхностный оптический пробой и последующее формирование зоны пониженной плотности газа, а второй -высокоинтенсивный фемтосекундный лазерный импульс (ти110 фс, Х= 1.24 мкм, 1«1016 Вт/см2) - взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях. Показано, что возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения в двухимпульсном (нано+фемто) режиме воздействия на алюминиевую мишень по сравнению с одноимпульсным (фемто) достигает 17 раз (на поверхности) и 8 раз (в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения). 3. Впервые проведены сравнительные исследования формирования углеродных пленок методами прямого и обратного лазерного напыления в атмосфере азота (Р«0.3 Topp) с использованием лазерного излучения фемтосекундной длительности (т«1 Юфс, Х-1.24 мкм, 8«10 Дж/см2). Обнаружено, что морфология поверхности углеродной пленки, полученной в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота по методике обратного напыления отличается от морфологии поверхности пленки, сформированной методом прямого лазерного напыления, меньшим параметром шероховатости. При этом параметр шероховатости поверхностей пленок прямого (обратного) напыления изменялся от 55 нм (40 нм) в центре до 20 нм (10 нм) на расстоянии 0.4 см от центра соответственно.
Научная и практическая значимость
Измерения выхода жесткого рентгеновского излучения и средней энергии горячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы лазерно-модифицированных твердотельных мишеней (кратеров и каналов) дополняет информацию о параметрах воздействующего излучения, что может быть использовано в задачах лазерной микрообработки материалов
15 2 при 1>10 Вт/см ). Сочетание данных по средней скорости абляции материала мишени и жесткого характеристического рентгеновского излучения плазмы открывает новые возможности послойного элементного анализа материалов сложных мишеней.
Продемонстрированная возможность управления выходом жесткого рентгеновского излучения горячей плазмы твердотельной мишени в режиме двухимпульсного лазерного воздействия на нее, в котором первый лазерный импульс инициирует формирование "квазивакуумных" условий взаимодействия для второго - высокоинтенсивного — фемтосекундного лазерного импульса, открывает новые перспективы создания мощных "настольных" источников жесткого рентгеновского излучения без использования вакуумной системы.
Более высокое качество поверхности углеродных покрытий, полученных при фемтосекундном лазерном воздействии на пенографит в газе низкого давления по методике обратного лазерного напыления, по сравнению с пленками, созданными по стандартной методике прямого лазерного напыления (практически полное отсутствие микрокапель и малый параметр шероховатости), указывает на перспективность, использования методики-обратного лазерного напыления.
Защищаемые положения
1. Зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения высокотемпературной фемтосекундной: лазерной плазмы твердотельной мишени от номера воздействующего импульса немонотонна: При этом средняя энергиягорячих электронов фемтосекундной лазерной плазмы, генерируемой в абляционном канале твердотельной мишени, достигает величины выше средней энергии горячих электронов плазмы, генерируемой на поверхности мишени.
2. Двухимпульсный режим лазерного воздействия» на твердотельную мишень в воздухе, в котором первый импульс наносекундной длительности инициирует приповерхностный пробой воздуха и последующее образование перед мишенью зоны пониженной плотности газа, а второй высокоинтенсивный фемтосекундный лазерный импульс взаимодействует с мишенью в таких "квазивакуумных" условиях, позволяет увеличить выход жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы; твердотельной мишени по сравнению с режимом одноимпульсного (фемтосекундного) лазерного воздействия.
3. Схема обратного лазерного напыления позволяет получать в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением (т» 110 фс, 1.24 мкм, £«10 Дж/см2) на пенографит в атмосфере азота (Р«0.3 Topp) тонкопленочные;, углеродные покрытия с параметром шероховатости поверхности меньшим, чем у пленок, сформированных по схеме прямого лазерного напыления.
Апробация работы п публикации
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на, следующих научных конференциях: 10-я Международная конференция; по микро и нанотехнологиям LAMN-X (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 13-й Международный симпозиум по лазерной физике LPHYS-04 (Триеста, Италия, 2004), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO-2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным, наукам "Ломоносов-2005" (Москва, Россия, 2005), Международная, конференция по лазерам и лазерным технологиям "LAT-2006" (Смолян, Болгария, 2006), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONG-2007 (Минск, Белоруссия, 2007), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2007" (Москва, Россия,. 2007), Международная конференция "Фундаментальные основы лазерных микро и нанотехнологий" РЬАММ-07 (Санкт-Петербург, Россия, 2007), а также изложены в двенадцати авторских публикациях, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов экспериментов, а также их интерпретация.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, благодарностей и списка цитированной литературы. Работа изложена на 105 страницах, включает 39 рисунков, 2 таблицы и список литературы с общим числом ссылок 125.
Основные результаты данной главы опубликованы в следующих работах:
• V.M. Gordienko, Yu.Ya. Kuzyakov, I.A. Makarov, E.V. Rakov, "Interaction of superintense femtosecond laser radiation with foam-carbon in the atmosphere of chemical active nitrogen"// Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT 2005, May 11-15, 2005, St. Petersburg, Russia, IThV16 (2005).
• B.M. Гордиенко, B.A. Дьяков, Ю.Я. Кузяков, И.А. Макаров, E.B. Раков, М.А. Тимофеев, "Формирование тонких пленок при прямом и обратном переносе аблированных частиц в результате воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота"// Квантовая электроника 37(3), 285 (2007).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Создана экспериментальная установка, позволяющая: проводить комплексные исследования фемтосекундной лазерной плазмы в канале твердотельной мишени, формируемом последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов (минимальная длительность импульса т=110фс, А.=1.24 мкм, Е«400 мкДж, частота следования импульсов v=l-10 Гц, интенсивность 1~1014-1016 Вт/см2) в присутствии газовой среды различного давления (Р=0.01-760 Topp); исследовать вопросы управления выходом жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся в воздухе, в двухимпульсном режиме лазерного воздействия на нее; определять средние скорости фемтосекундной лазерной абляции твердотельных мишеней; исследовать особенности формирования тонкопленочных покрытий на коллекторах в результате прямого и обратного массопереноса аблированных частиц мишени в газе.
2. Установлено, что зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы твердотельной мишени, находящейся в газовой среде различного давления (Р=0.01-760 Topp), от номера воздействующего лазерного импульса имеет экстремум. При интенсивности фемтосекундного лазерного излучения на поверхности мишени 1«1016 Вт/см2 (в вакууме) максимальное возрастание выхода жесткой (Е>10 кэВ) рентгеновской компоненты в канале алюминиевой мишени составило «2 раза (Р«0.01 Topp) и «4 раза (Р«760 Topp).
3. Впервые проведены сравнительные измерения средней энергии горячей электронной компоненты плазмы на поверхности мишени и в абляционном канале. В вакууме обнаружено возрастание средней энергии горячей электронной компоненты плазмы алюминиевой мишени от Thot=8±2 кэВ (на поверхности) до Th0t=13±3 кэВ (в канале) при интенсивности фемтосекундного лазерного излучения на мишени 1«1016 Вт/см2.
4. Предложен и реализован двухимпульсный режим лазерного воздействия на твердотельную мишень, находящуюся при атмосферных условиях, в котором первый (наносекундный) лазерный импульс (т«30 не, А.=308нм, 1«108 Вт/см2) инициировал приповерхностный оптический пробой, обеспечивая формирование зоны разреженной плотности газа и, как следствие, подавление нелинейных процессов самовоздействия второго (фемтосекундного высокоинтенсивного) лазерного импульса (т«110 фс, >.=1.24 мкм, 1«1010 Вт/см ) при его доставке на мишень. Установлена величина оптимального времени задержки между импульсами At«10 мке, при которой выход жесткого (Е>2.5 кэВ) рентгеновского излучения в эксперименте был максимальным. Этой задержке между импульсами соответствовало возрастание выхода жесткого рентгеновского излучения в двухимпульсном (нано+фемто) режиме воздействия на алюминиевую мишень по сравнению с одноимпульсным (фемто) до 17 раз (на поверхности) и до 8 раз (в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения). Это обстоятельство свидетельствует о понижении плотности воздуха в приповерхностной области мишени и в канале максимального выхода жесткого рентгеновского излучения до величин, соответствующих давлениям около 40 Topp и 100 Topp соответственно.
5. Впервые проведены сравнительные исследования формирования углеродных пленок методами прямого и обратного лазерного напыления в атмосфере азота (Р-0.3 Topp) с использованием лазерного излучения фемтосекундной длительности (т«110 фс, 1=1.24 мкм, е«10 Дж/см ). Обнаружено, что морфология поверхности углеродной пленки, полученной в результате импульсно-периодического воздействия фемтосекундным лазерным излучением на пенографит в атмосфере азота по методике обратного напыления, отличается от морфологии поверхности пленки, сформированной методом прямого лазерного напыления, меньшим параметром шероховатости. При этом параметр шероховатости поверхностей пленок прямого (обратного) напыления изменялся от 55 нм (40 нм) в центре до 20 нм (10 нм) на расстоянии 0.4 см от центра соответственно.
БЛАГОДАРНОСТИ
В заключение благодарю своего научного руководителя д.ф.-м.н. проф. Гордиенко Вячеслава Михайловича за постоянное обучение стратегии выбора современных направлений исследований в области лазерной физики сверхсильных световых полей, а также за гибкое руководство и помощь в планировании, постановке и проведении научного эксперимента. Также я выражаю благодарность д.ф.-м.н. Платоненко Виктору Трифоновичу, д.ф.-м.н. Савельеву-Трофимову Андрею Борисовичу и Михееву Павлу Михайловичу за ценные рекомендации, возникавшие порой в отношении сложных и спорных физических вопросов проведенного исследования. Особенно благодарю Подшивалова Алексея Алексеевича за мудрое обучение работе на хром-форстеритовой фемтосекундной лазерной системе. Я выражаю свою благодарность Шашкову Александру Андреевичу за помощь в наработке бесценного опыта проведения лазерного эксперимента. Приношу свою благодарность Волкову Роману Валентиновичу и Ракову Евгению Вячеславовичу за предоставление на этапе моего обучения в ряде экспериментов излучения фемтосекундных лазерных систем на красителях и на кристалле хром-форстерита, а также за полезные критические замечания в отношении интерпретации результатов отдельных экспериментов. Также благодарю Дьякова Владимира Алексеевича и Тимофеева Михаила Аркадьевича за помощь в исследовании тонкопленочных покрытий и кратеров твердотельных мишеней методами атомно-силовой и фотоэлектронной микроскопий. Искреннюю признательность выражаю Кузякову Юрий Яковлевичу за предоставление возможности исследования химического состава тонких пленок методами фотоэлектронной Ожэ-микроскопии. Также выражаю свою признательность Кудинову Игорю Александровичу за ценные советы и помощь в отдельных вопросах микросхемотехники и Джиджоеву Мурату Суликоевичу за помощь в обучении работе с системами высокого вакуума.
Отдельно приношу свои благодарности выпускникам лаборатории Урюпиной Д.С., Лачко И.М., Чутко О.В. и Большакову В.В. за многочисленные ценные советы и помощь, касавшиеся различных сторон лазерного эксперимента. Приношу свои благодарности также аспирантам Жвания И.А. и Хоменко A.C., при чьем участии была проведена значительная доля экспериментальных исследований. А также я благодарю тех аспирантов и студентов, которые поддерживали в лаборатории сверхсильных световых полей состояние дружественного и в тоже время ответственного отношения к проводимым исследованиям.
1. Попов В.К., "Мощные эксимерные лазеры и новые источники когерентного излучения в вакуумном ультрафиолете"//УФН 147(3), 587-603 (1985).
2. Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Магницкий С.А., Платоненко В.Т., "Фемтосекундные эксимерные системы как источники сверхсильных световых полей"// Итоги науки и техники (Современные проблемы лазерной физики) 4, ВИНИТИ, 19-84 (1991).
3. Лютер-Дэвис Б., Гамалий Е.Г., Янжи Ванг, Роде A.B., Тихончук В.Т. "Вещество в сверхсильном лазерном поле"// Квантовая электроника 19(4), 317-359 (1992).
4. Backus S., Durfee C.G., Murnane M.M., Kapteyn H.C., "High power ultrafast lasers"// Rev. of Sei. Inst. 69(3), 1207-1223 (1998).
5. Platonenko V.T., "High-Temperature Near-Surface Plasma Produced by Ultrashort Laser Pulses"// Laser Physics 2, 852-872 (1992).
6. Gibbon P., Forster R., "Short-pulse laser-plasma interactions"// Plasma Physics Control. Fusion 38, 769-794(1996).
7. Андреев A.B., Гордиенко В.M., Савельев А.Б. "Ядерные процессы в высокотемпературной плазме, индуцируемой сверхкоротким лазерным импульсом"// Квантовая электроника 31 (11), 941-956 (2001).
8. Волков Р.В., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Жуков М.А., Михеев П.М., Савельев-Трофимов А.Б., Шашков A.A., "Управление свойствами и диагностика фемтосекундной плазмы с использованием модифицированных мишеней"// Квантовая электроника 24, 1114-1126(1997).
9. Гордиенко В.М., Савельев А.Б., "Фемтосекундная плазма в плотных наноструктурированных мишенях: новые подходы и перспективы"// УФН 169, 78-80 (1999).
10. Nishikawa Т., Nakano H., Ahn H., Uesugi N. "X-ray generation enhancement from a laser-produced plasma with a porous silicon target"//Appl. Phys Lett. 70, 1653-1655 (1997).
11. Волков P.В., Гордиенко B.M., Джиджоев M.C. и др., "Генерация жесткого рентгеновского излучения при облучении пористого кремния сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным импульсом"// Квантовая электроника 25, 1-2 (1998).
12. Волков Р.В., Гордиенко В.М., Голишников Д.М., Савельев А.Б., "Перегретая плазма на поверхности мишени с периодической структурой, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением"// Письма ЖЭТФ 77(9), 568 (2003).
13. Bagchi S., Prem Kiran P., Bhuyan M.K., Bose S., Ayyub P., Krishnamurty M., Kumar G.R., "Fast ion beams from intense, femtosecond laser irradiated nanostructured surfaces"// Appl. Phys В 88, 167-173 (2007).
14. Hironaka Y., Fujimoto Y., Nakamura K.G., Kondo K.-I., Yoshida M., "Enhancement of hard x-ray emission from a copper target by multiple shots of femtosecond laser pulses"// Appl. Phys. Lett. 74(12), 1645-1647 (1999).
15. Gavrilov S.A., Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Savelev A.B., Volkov R.V., "Efficient hard X-ray source using femtosecond plasma at solid targets with a modified surface"// Laser and Particle Beams 22, 1-6 (2004).
16. Hironaka Y., Fujimoto Y., Nakamura K.G., Kondo K.-I., Yoshida M., "Enhancement of hard x-ray emission from a copper target by multiple shots of femtosecond laser pulses"// Appl. Phys. Lett. 74(12), 1645-1647 (1999).
17. Sentoku, K. Mima, H. Ruhl, Y. Toyama, R. Kodama, Т. E. Cowan "Laser light and hot electron micro focusing using a conical target"// Physics of Plasmas 11(6), 3083-3087 (2004).
18. Chen Z.L., Kodama R., Nakatsutsumi M., Nakamura H., Tampo M., Tanaka K.A., Toyama Y., Tsutsumi Т., Yabuuchi Т., "Enhancement of energetic electrons and protons by cone guiding of laser light"// Phys. Rev. E. 71, 036403 (2005).
19. Cho B.I., Osterholz J., Galloudec N., Bernstein A.C., Dyer G., Ditmire Т., "Study of hot electron transport in foil, wedge, and cone targets irradiated with ultraintense laser pulses"// J. Opt. Soc. Am. В 25, B50-B56 (2008).
20. Thogersen J., Borowiec A., Haugen H.K., McNeill F.E., Stronach I.M., "X-ray emission from femtosecond laser micromachining"// Appl. Phys. A 73, 361-363 (2001).
21. Dausinger F., Hügel H., Konov V., "Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications"// Proceed. SPIE 5147, 106-115 (2003).
22. Климентов C.M., Пивоваров П.А., Конов В.И., Брайтлинг Д., Даусингер Ф., "Лазерная микрообработка в газовой среде при высокой частоте повторения аблирующих импульсов"// Квантовая электроника 34(6), 537-540 (2004).
23. Hwang D.J., Grigoropoulos С.Р., Choi T.Y., "Efficiency of silicon micromachining by femtosecond laser pulses in ambient air"// J. of Appl. Phys. 99,083101 (2006).
24. Климентов C.M., Кононенко T.B., Пивоваров П.А., Гарнов С.В., Конов В.И., Прохоров A.M., Брайтлинг Д., Даусингер Ф., "Роль плазмы в абляции материалов ультракороткими лазерными импульсами"// Квантовая электроника 31(5), 378-382 (2001).
25. Juodkazis S., Okuno Н., Kujime N., Matsuo S., Misawa H., "Hole drilling in stainless steel and silicon by femtosecond pulses at low pressure"// Appl. Phys. A 79,1555-1559 (2004).
26. Nielsen C. S., Balling P., "Deep drilling of metals with ultrashort laser pulses: A two-stage process"// J. of. Appl. Phys. 99, 093101 (2006).
27. Reich Ch., Gibbon P., Uschmann I., Förster E., "Yield Optimization and Time Structure of Femtosecond Laser Plasma Ka Sources"// Phys. Rev. Lett. 84(21), 4846-4849 (2000).
28. Zhavoronkov N., Gritsai Y., Bargheer M., Woerner M„ Elsaesser Т., "Generation of ultrashort Ka radiation from quasipoint interaction area of femtosecond pulses with thin foils"// Appl. Phys. Lett. 86, 244107 (2005).
29. Labate L., Galimberti M., Giulietti A., Giulietti D., Köster P., Tomassini P., Gizzi L.A., "Study of forward accelerated fast electrons in ultrashort Ti Ka sources"// Appl. Phys. В 86, 229-233 (2007).
30. Кононенко T.B., Конов В.И., Лубнин E.H., Даусингер Ф., "Импульсное лазерное напыление твердого углеродного покрытия при атмосферном давлении"// Квантовая электроника 33(3), 189-191 (2003).
31. Rassuchine J., Dyer G., Cho В., Sentoku Y., Cowan Т., Kneip S., Ditmire Т., Galloudec N., "The Production of Ultrafast Bright K-Alpha X-Rays From Laser Produced Plasmas for Medical Imaging"// Med. Phys. 33, 2251 (2006).
32. Gordienko V.M., Makarov I.A., Rakov E.V., "Hot plasma diagnostics during femtosecond laser ablation in a cavity"// Procceed. SPIE 6606, 66060S (2007).
33. Букин B.B., Воробьев H.C., Гарнов C.B., Конов В.И., Лозовой В.И., Малютин А.А., Щелев М.Я., Яцковский И.С., "Динамика формирования и развития фемтосекундной лазерной микроплазмы в газах"// Квантовая электроника 36(7), 638-645 (2006).
34. Sun J., Longtin J.P., "Inert gas beam delivery for ultra-fast laser micromachining at ambient pressure"//J. of Appl. Phys. 89(12), 8219-8224 (2001).
35. Климентов C.M., Пивоваров П.A., Конов В.И., Брайтлинг Д., Даусингер Ф., "Лазерная микрообработка в газовой среде при высокой частоте повторения аблирующих импульсов"// Квантовая электроника 34 (6), 537-540 (2004).
36. Dausinger F., "Machining of metals with ultrashort laser pulses: From fundamental investigations to industrial applications"// Procceed. of SPIE 5777, 840-845 (2005).
37. Конов В.И., Никитин П.И., Прохоров A.M., Силенок A.C., "Генерация магнитных полей и токов при оптическом разряде в рекомбинирующей плазме"// Письма в ЖЭТФ 39(11), 501 (1984).
38. Прохоров A.M., Конов В.И., Урсу И., Михэилеску И.Н., "Взаимодействие лазерного излучения с металлами'7/M.: Наука (1988).
39. Першин С.М., "Физический механизм подавления свечения атмосферных газов в плазме при двухимпульсном облучении поверхности"// Квантовая электроника 16 (12), 2518-2520 (1989).
40. Willmott P. R., Huber J. R., "Pulsed laser vaporization and deposition"// Rev. of Modern Physics 72, 315 (2000).
41. Polo M.C., Aguiar R., Serra P., Cleries L., Valera M., Esteve J., "Carbon nitride thin films obtained by laser ablation of grafite in nitrogen atmosphere"// Appl. Surf. Science 96-98, 870873 (1996).
42. Geretovszky Z., Kantor Z., Bertoti I., Szorenyi T. "Pulsed laser deposition of carbon nitride films by a sub-ps laser'Y/Appl. Phys. A 70, 9-11 (2000).
43. Xu N., Li L., Lin H., Wu J., Wu A., Sun J., Ying Zh., Wang P., "Deposition of nanocrystalline CNt thin films on Co/Ni-covered substrate by nitrogen-atom-beam-assisted pulsed laser ablation"// Phys. Lett. A 320, 297-301 (2004).
44. Szorenyi Т., Fogarassy E., Fuchs C., Hommet J., Le Normand F., "Chemical analysis of a-CNx thin films synthesized by nanosecond and femtosecond pulsed laser deposition"// Appl. Phys. A 69, 941 (1999).
45. Acquaviva S., Perrone A., Zocco A., Klini A., Fotakis C., "Deposition of carbon nitride films by reactive sub-picosecond pulsed laser ablation"// Appl. Surf. Science 373,266-272 (2000).
46. Szorenyi Т., Норр В., Geretovszky Z., "A novel PLD configuration for deposition of films of improved quality: a case study of carbon nitride"// Appl. Phys. A 79, 1207 (2004).
47. Szorenyi T., Geretovszky Z., "Thin film growth by inverse pulsed laser deposition"// Appl. Surf. Science 484, 165-169 (2005).
48. Egerhazi L., Geretovszky Z., Csako T., Szorenyi T., "Atomic force microscopic characterization of films grown by inverse pulsed laser deposition"// Appl. Surf. Science 252, 4661—4666 (2006).
49. Egerhazi L., Geretovszky Z., Szorenyi T., "On the orientation independence of inverse pulsed laser deposition"// Appl. Surf. Science 252,4656-4660 (2006).
50. Egerhazi L., Geretovszky Z., Szorenyi T., "Carbon nitride films of uniform thickness by inverse PLD"// Appl. Surf. Science 253, 8197-8200 (2007).
51. Коротеев Н.И., Шумай И.JI., "Физика мощного лазерного излучения'7/M.: Наука (1991).
52. Rosen M.D. "Scaling laws for femtosecond laser-plasma interactions"// Procceed. of SPIE 1229, 160-169(1990).
53. Serbanescu C.G., Chakera J.A., Fedosejev R., "Efficient Ka x-ray source from submillijoule femtosecond laser pulses operated at kilohertz repetition rate"// Rev. of Scientific Instruments 78, 103502 (2007).
54. Chen L.M., Forget P., Fourmaux S., Kieffer J.C., Krol A., Chamberlain C.C., Hou B.X., Nees J., Mourou G., "Study of hard x-ray emission from intense femtosecond Ti:sapphire lasersolid target interactions"// Physics of Plasmas 11(9), 4439 (2004).
55. T. Engers, W. Fendel, H. Schuller, H. Schultz, D. von der Linde, "Second-harmonic generation in plasmas produced by femtosecond laser pulses"// Phys. Rev. A 43(8), 45644567 (1991).
56. Tarasevitch A, Dietrich C., Blome C., Sokolowski-Tinten K., von der Linde D., "3/2 harmonic generation by femtosecond laser pulses in steep-gradient plasmas"// Phys. Rev. E 68, 026410 (2003).
57. Ganeev R., Suzuki M., Baba M., Turn M., Kuroda H., "Generation of backscattered 2co and 3co/2 harmonics of femtosecond radiation from the targets with different atomic numbers"// Procced. of SPIE 5337, 158-165 (2004).
58. Murnane M.M., Kapteyn H.C., Gordon S.P., Bokor J., Glytsis E.N., Falcone R.W., "Efficient coupling of high-intensity subpicosecond laser pulses into solids"//Appl. Phys. Lett. 62, 10681070 (1993).
59. Гуськов С.Ю., Розанов В.Б., "Взаимодействие лазерного излучения с пористой средой и образование неравновесной плазмы"// Квантовая электроника 24, 715-720 (1997).
60. Kudryahov S.I., Karabutov А.А., Zorov N.B., Kuznetsov S.V., Kuzyakov Yu.Ya., "Local field effects at laser ablation of the foam graphite"// Proceed. SPIE 2801, 240 (1999).
61. Гордиенко B.M., Магницкий С.А. Москалев T.A., Платоненко В.Т., "Поляритоны на поверхности плазмы индуцированной мощными фемтосекундными лазерными импульсами"// Изв. РАН (сер. физич.) 60, 183 (1996).
62. Kulsar G., AlMawlawi D., Budnik F.W., Herman P.R, Moskovits M„ Zhao L, Maijoribanks R.S., "Intense picosecond x-ray pulses from laser plasmas by use of nanostructured "velvet" targets"// Phys. Rev. Lett. 84, 5149-5152 (2000).
63. Nishikawa Т., Nakano H., Oguri K., Uesugi N., Nakao M., Nishio K., Masuda H., "Nanocylinder-array structure greatly in-creases the soft X-ray intensity generated from femtosecond laser produced plasma"//Appl. Phys. В 73, 185-188 (2001).
64. Красюк И.К., Семенов А.Ю., Чарахчьян А.А., "Использование конических мишеней в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу"// Квантовая Электроника 35(9), 769-777 (2005).
65. Vazquez de Aldana J. R., Mendez C., Roso L., Moreno P., "Propagation of ablation channels with multiple femtosecond laser pulses in dielectrics: numerical simulations and experiments"// J. Phys. D: Appl. Phys. 38, 2764-2768 (2005).
66. Zeng X., Мао X., Mao S.S., Yoo J.H., Greif R., Russo R.E., "Laser-plasma interactions in fused silica cavities"// J. of Appl. Phys. 95(3), 816-822 (2004).
67. Pakhal H.R., Lucht R.P., Laurendeau N.M., "Spectral measurements of incipient plasma temperature and electron number density during laser ablation of aluminum in air"// Appl. Phys. В 90, pp. 15-27 (2008).
68. Ахманов С.А., Выслоух B.A., Чиркин C.A., "Оптика фемтосекундных лазерных импульсов"// М.: Наука, (1988).
69. Hermann J., Bruneau S., Sentis M., "Spectroscopic analysis of femtosecond laser-induced gas breakdown"// Thin Solid Films 453-454, 377-382 (2004).
70. Wood W.M., Focht G., Downer M.C., "Tight focusing and blue shifting of millijoule femtosecond pulses from a conical axicon amplifier"// Optics Lett. 13(11), 984-986 (1988).
71. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Stepanov A.N., Sergeev A.M., "Ionization spectrum broadening and frequency blue-shift of high-intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes'7/Appl. Phys. В 75, 509-514 (2002).
72. Fedotov A.B., Koroteev N.I., Loy M.M.T., Xiao X., Zheltikov A.M., "Saturation of third-harmonic generation in a plasma of self-induced optical breakdown due to the self-action of 80-fs light pulses"// Optics Comm. 133, 587-595 (1997).
73. Ganeev R.A., Suzuki M., Baba M., Kuroda H., Kulagin I.A., "Third-harmonic generation in air by use of femtosecond radiation in tight-focusing conditions"// Appl. Optics 45(4), 748755 (2006).
74. Mao X.L., Chan W.T., Shannon M.A., Russo R. E., "Plasma shielding during picosecond laser sampling of solid materials by ablation in He versus Ar atmosphere"// J. Appl. Phys., 74(8), 4915-4922(2003).
75. Sun J., Longtin J.P., "Effect of Gas Medium on Femtosecond Laser Beam Delivery"// JOSA В 21(5) 1081-1088 (2004).
76. Райзер Ю.П., "Лазерная искра и распространение зарядов"// М.: Наука (1974).
77. Шен И.Р., "Принципы нелинейной оптики"// М.: Наука (1989).
78. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н., "Ударные и детонационные волны. Методы исследования"// М.: Физматлит (2004).
79. Конов В.И., Никитин П.И., Прохоров А.М, Силенок А.С. "Генерация магнитных полей и токов при оптическом разряде в рекомбинирующей плазме"// Письма в ЖЭТФ 39(11), 501 (1984).
80. Седов Л.И., "Методы подобия и размерности в механике'7/M.: Наука (1977).
81. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений"// М.: Наука (1966).
82. Орленко Л.Н., Баум Ф.А., Станюкович К.П., "Физика взрыва'7/M.: Наука (2002).
83. Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Е.Б., "Взаимодействие лазерного излучения с веществом"// М.: Физматлит (2008).
84. Russo R.E., Мао X.L., Liu Н.С., Yoo J.H., Мао S.S., "Time-resolved plasma diagnostics and mass removal during single-pulse laser ablation"// Appl. Phys. A 69, 887 (1999).
85. Hwang D.J., Grigoropoulosa C.P., Choi T.Y., "Efficiency of silicon micromachining by femtosecond laser pulses in ambient air"// J. of Appl. Phys. 99, 083101 (2006).
86. Cerami L., Mazur E., Nolte S., Schaffer C., "Femtosecond laser micromachining"// Ultrafast Optics (Ed. Rick Trebino and Jeff Squier) (2007).
87. Farson D.F., Choi H.W., Zimmerman В., Steach J.K., Chalmers J.J., Olesik S.V., Lee L.J. "Femtosecond laser micromachining of dielectric materials for biomedical applications"// J. Micromech. and Microeng. 18, 035020 (2008).
88. Pronko P.P., Dutta S.K., Du D., Singh R.K., "Thermophysical effects in laser processing of materials with picosecond and femtosecond pulses"// J. Appl. Phys. 78(10), 6233-6240 (1995).
89. Preuss S., Demchuk A., Stuke M., "Sub-picosecond UV ablation of metals"// Appl. Phys. A. 61, 33-37 (1995).
90. Stuart B.C., Feit M.D., Herman S., Rubenchick A.M., Shore B.W., Perry M.D., "Optical ablation by high-power short-pulse lasers"// J. Opt. Soc. Am. В 13(2), 459^168 (1996).
91. Nolte S., Momma С., Jacobs Н., Tunnermann A., Chichkov В. N., Wellegehausen В., Welling Н., "Ablation of metals by ultrashort laser pulses"// J. Opt. Soc. Am. В 14, 2716-2722 (1997).
92. Momma C., Chichkov B.N., Nolte S., von Alvensleben F., Tunnermann A., Welling H., Wellegehausen В., "Short-pulse laser ablation of solid targets"// Opt. Commun. 129(1), 134142 (1996).
93. Gamaly E. G., Rode A. V., Luther-Davies В., Tikhonchuk V. Т., "Ablation of solids by femtosecond lasers: Ablation mechanism and ablation thresholds for metals and dielectrics"// Phys. of Plasmas 9(3), 949-957 (2002).
94. Jiang L., Tsai H.L., "Prediction of crater shape in femtosecond laser ablation of dielectrics"// J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 1492-1496 (2004).
95. Freysz E., Pershin S.M., Safeev G.A., "Periodic ripples produced by a scanning beam of a femtosecond Ti:sapphire laser"// Procc. of SPIE 5850, 82 (2005).
96. Hong M.B., Luk'yanchuk В., Huang S.M., Ong T.S., Van L.H., Chong T.C., "Femtosecond laser application for high capacity optical data storage"// Appl. Phys. A 79, 791-794 (2004).
97. Marine W., Patrone L., Luk'yanchuk В., Sentis M., "Strategy of nanocluster and nanostructure synthesis by conventional pulsed laser ablation"// Appl. Surf. Science 154-155, 345-352 (2000).
98. Mendes M., Vilar R., "Influence of the processing parameters on the formation and deposition of particles in UV pulsed laser ablation of AbC^-TiC ceramics"// App. Surf. Science 217, 149-162 (2003).
99. Liu В., Hu Z., Chea Y., Chen Y., Pan X., "Nanoparticle generation in ultrafast pulsed laser ablation of nickel"// Appl. Phys. Lett. 90, 044103 (2007).
100. Roy S., Papakonstantinou P., Mccann R., Mclaughlin J., Klini A., Papadogiannis N., "Bonding configurations in amorphous carbon and nitrogenated carbon films synthesized by femtosecond laser deposition"// Appl. Phys. A 79, 1009 (2004)
101. Katsuno Т., Godet C., Orlianges J.C., Loir A.S., Garrelie F., Catherinot A., "Optical properties of high-density amorphous carbon films grown by nanosecond and femtosecond pulsed laser ablation'7/Appl. Phys. A, 81, 471 (2005).
102. Henley S.J., Carey J. D., Silva S. R. P., Fuge G. M., Ashfold M. N. R, Anglos D., "Dynamics of confined plumes during short and ultrashort pulsed laser ablation of graphite"// Phys. Rev. В 72, 205413-1 (2005).
103. Gareth M. F., Ashfold M.N.R., Henley S.J., "Studies of the plume emission during the femtosecond and nanosecond ablation of graphite in nitrogen"// J. of Appl. Phys. 99, 0143091 (2006).
104. Gordienko V.M., Ivanov A.A., Podshivalov A.A., Savel'ev A.B., Rakov E.V., "Generation of Superintense Femtosecond Pulses by the Cnforsterite Laser System"// Laser Physics 16(3), 427-435 (2006).
105. Крюков П.Г., "Лазеры ультракоротких импульсов"// Квантовая Электроника 31(2), 95-119(2001).
106. Ахманов С.А., Никитин С.Ю., "Физическая оптика"//М.: Изд-во МГУ; Наука (2004).
107. Dorrer C., Walmsley I.A., "Concepts for the temporal characterization of short optical pulses"// Eurasip J. Appl. Signal Process. 2005, 1541-1553 (2005).
108. Hong K.-H., Hou В., Nees J. A., Power E., Mourou G. A., "Generation and measurement of8 • •10 intensity contrast ratio in a relativistic khz chirped-pulse amplified laser"// Appl. Phys. В 81(4), 447-457 (2005).
109. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, "Физические величины"// М.: Энергоатомиздат, (1991).
110. Волков Р.В., Гордиенко В.М., Михеев П.М., Савельев-Трофимов А.Б., "Влияние атомного состава мишени на выход жесткого некогерентного рентгеновского излучения из фемтосекундной лазерной плазмы"// Квантовая Электроника 30 (10), 896-900 (2000).
111. Milchberg Н.М., Freeman R.R., "Expansion-induced Doppler shifts from ultrashort-pulse laser-produced plasmas"// Phys. Rev. A 41(4), 2211-2214 (1990).
