Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением

Хоменко, Антон Сергеевич

Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Хоменко, Антон Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением»

Автореферат диссертации на тему "Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением"

□03493337

На правах рукописи

ХОМЕНКО АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЛАЗЕРНО-ПРОДУЦИРОВАННЫХ МИКРОКАНАЛАХ В СПЛОШНЫХ И СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 МДР 2910

Москва - 2010

003493337

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, профессор

Ионии Андрей Алексеевич, Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН кандидат физико-математических наук

Кононенко Тарас Викторович, Институт общей физики имени A.M. Прохорова РАН

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Объединённый институт высоких температур РАН

Защита состоится " 1В " марта 2010 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат

Ученый cenpi диссертацио1И(№5сов1 кандидат фи

года.

Т.М. Ильинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание и развитие фемтосекундных лазерных систем обеспечило возможность решения широкого класса задач по взаимодействию лазерного излучения сверхкороткой длительности с веществом. Эффективность нелинейных взаимодействий и самовоздействий лазерного излучения зависит от напряженности светового поля и ограничивается интенсивностью, при которой развивается процесс нонизации среды. Эта величина не превышает 100 ТВт/см2. При больших значениях интенсивностей (1>1 ПВт/см2) происходит быстрая ионизация атомов, и электроны с высоким темпом набирают энергию, которая может существенно превышать уровень в 1 кэВ. В итоге возникает так называемая фемтосекундная лазерная плазма (ФЛП), являющаяся новым уникальным физическим объектом. Она обладает концентрацией электронов, превышающей твердотельную плотность, и отличается высоким градиентом плотности, при этом в поглощении и отражении лазерного излучения доминируют нелинейные механизмы. Плотная фемтосекундная лазерная плазма является источником сверхкоротких рентгеновских импульсов. Некогерентное рентгеновское излучение, основу которого составляет тормозное и характеристическое излучение лазерной плазмы, может быть использовано как для диагностики параметров самой ФЛП, так и для таких задач как возбуждение низколежащих ядерных уровней, изучение химических процессов на сверхкоротких временах, микроскопия и неразрушающий контроль биологических объектов и др.

В качестве мишеней для генерации ФЛП могут выступать объекты различной природы: вещество в конденсированном состоянии и кластеры, представляющие семейство наноматериалов. В последние годы всё больший интерес начинают привлекать структурно-неоднородные среды, проявляющие, с одной стороны, эффективные нелинейно-оптические свойства, а с другой стороны, позволяющие управлять параметрами ФЛП, существенно повышая энергию горячих электронов и выход рентгеновского излучения. К классу структурно-неоднородных сред можно отнести: фотонные кристаллы, сильно рассеивающие пористые объекты (пористые полупроводники и металлы и т.д.), объекты с волокнистой структурой (коллаген, дентин и т.д.) и др.

В большинстве работ, связанных с взаимодействием высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, использовались металлические мишени.

иначе, чем для металлических. В-третьих, большинство диэлектриков прозрачно в оптическом диапазоне, и в них легко наблюдать продуцированные интенсивным лазерным излучением изменения (микромодификации, каналы). Наконец, большая часть биологических объектов (коллаген, костная ткань и др.), активно исследуемых в последнее время в рамках проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом, также относится к семейству диэлектриков. Диэлектрики являются мишенями с относительно малым атомным номером Z~2CH-30, поэтому в них возможна эффективная генерация жесткого (более 2 кэВ) характеристического и тормозного рентгеновского излучения при интспсивпостях лазерного излучения 1~1015-Ч0"' Вт/см2.

Картина взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с мишенью изменяется при переходе от одноимпульсного к многоимпульсном режиму. В этом случае происходит не только микромодификация поверхностного рельефа мишени, но и может создаваться кратер (или глубокий канал) за счет процесса абляции. Существенное преимущество фемтосекундных лазерных импульсов связано с возможностью достижения высоких эффективностей ионизации, локализованным вкладом энергии в мишень, минимальной зоной термического и механического повреждениями. При создании микроканала внутри мишени последовательностью высокоинтенсивных лазерных импульсов, энергия горячих электронов в микроплазме оказывается выше по сравнению с одноимпульсным режимом воздействия на мишень. Вследствие этого должна происходить более эффективная генерация и характеристического рентгеновского излучения, что требует экспериментального исследования.

Особенностью создания микроканалов при нахождении мишени в воздухе является то обстоятельство, что при плотности энергии лазерного излучения сверхкороткой длительности свыше 20 Дж/см2 кроме «придонной» плазмы в канале может появиться ещё и плазменное облако. Это плазменное облако, содержащее не только частицы ионизированного воздуха, но и продукты абляции мишени, может ухудшать условия фокусировки лазерного излучения, уменьшать среднюю скорость абляции и модифицировать спектры плазмы мишени.

Для изучения создаваемых высокоинтенсивным лазерным излучением микромодификаций (микроканалов) может быть использована техника гомодинной рефлектометрии, которая во многом аналогична оптической когерентной томографии (ОКТ), основанной на использовании фемтосекундных лазеров и являющейся одним из невозмущающих методов диагностики структуры сильно рассеивающих объектов с высоким пространственным разрешением. С помощью гомодинной рефлектометрии возможно также определить глубину созданных внутри мишени микроканалов и оценить среднюю скорость абляции. Важным параметром гомодинного рефлектометра является отношение сигнал/шум.

Помимо балансной схемы компенсации шумов, которая позволяет увеличить отношение

сигнал/шум до 3 порядков, дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум возможно с

помощью методов на основе использования нелинейных поглотителей.

Целями настоящей диссертационной работы являлись:

1. Изучение возможности подавления шумов в гомодинном рефлектометре на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера за счёт применения в его схеме нелинейного оптического поглотителя, состоящего из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Измерение глубин остаточных микромодификаций (микроканалов), возникающих в мишени при воздействии на ней интенсивным излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с помощью оптического профилометра на базе гомодинного рефлектометра с повышенным отношением сигнал/шум.

2. Исследование нелинейных процессов, возникающих при создании микроканалов в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера в диапазоне интенсивностей_1~10'3^-10'5 Вт/см2.

3. Измерение выхода жестокого рентгеновского излучения (тормозного и К характеристического) из высокотемпературной плазмы, зажигаемой излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с интенсивностью 1~31015 Вт/см2 в создаваемом микроканале мишени, находящейся в воздухе.

Научная новнзна

1. Впервые реализовано увеличение отношения сигнал/шум в гомодинном рефлектометре, созданном на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера, за счёт применения нелинейного оптического поглотителя на основе одностенных УНТ, который использовался совместно с существующей балансной схемой подавления шумов. Продемонстрировано, что гомодинный рефлектометр может быть применен в качестве измерителя глубины микроканала. Предложена и реализована схема двухволнового гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера.

2. Впервые исследован оптический спектр плазмы дентина, зажигаемой в микроканале излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с интенсивностью в диапазоне 1~10,3-Ч015 Вт/см2. Зарегистрировано уширение спектра третьей гармоники излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в голубую область и наблюдено жёсткое (Е>15 кэВ) рентгеновское излучение при создании микроканала в твердотельной мишени, находящейся в воздухе, при интенсивности (1=3-10'5 Вт/см2).

3. Впервые выполнены измерения выхода К характеристического излучения Са и его угловой зависимости по мере создания в кристалле СаРг, находящемся в воздухе,

микроканала последовательностью следующих с частотой 10 Гц высокоинтенсивных (1=3'1015 Вт/см2) импульсов, генерируемых фемтосекундной хром-форстеритовой лазерной системой. Выход К характеристического излучения меняется от импульса к импульсу и проходит через локальный максимум, соответствующий времени завершения основной фазы создания микроканала. Впервые при создании микроканала в мишени зарегистрировано К характеристическое излучение в направлении, параллельном поверхности мишени. Научная и практическая значимость

Применение в схеме гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного хром-форстсритового лазера нелинейного оптического поглотителя на основе одностенных УНТ позволяет дополнительно к существующей балансной схеме компенсации шумов увеличить отношение сигнал/шум рефлектометра.

Ушнрение спектра третьей гармоники, возникающей в воздухе вблизи микроканала, может служить индикатором наличия плазменного облака, формируемого внутри микроканала в твердотельной мишени. Величина уширения спектра позволяет оценить концентрацию свободных электронов в плазменном облаке.

Повышение выхода характеристического излучения в процессе создания микроканала в мишени под действием высокоинтенсивных (1=3'1015 Вт/см2) лазерных импульсов является практически важным для реализации схем эффективных источников лазерно-индуцированного рентгеновского излучения. Защищаемые положения

1. Сочетание нелинейного поглотителя на основе одностенных УНТ с балансной схемой компенсации шумов позволяет в схеме гомодинного рефлектометра, построенного на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера, увеличить отношение сигнал/шум системы до 5 раз при интенсивности падающего на нелинейный поглотитель лазерного излучения 1=5-107 Вт/см2. С помощью данного рефлектометра возможно измерение глубины микроканала в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах с пространственным разрешением около 25 мкм.

2. Плазменное облако, возникающее при создании микроканала под действием высокоинтенсивного (1=3-1015 Вт/см2) излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в твердотельной мишени (дентин), находящейся в воздухе, приводит к уширению в голубую область спектра третьей гармоники воздействующего лазерного излучения. При этом высокотемпературная придонная плазма является источником жёстких (Е>15 кэВ) рентгеновских квантов.

3. При воздействии последовательности остросфокусированных импульсов фемтосекундного лазера (1>1015 Вт/см2) на поверхность кристалла СаРг выход К

характеристического излучения из создаваемого микроканала в мишени, находящейся в воздухе, меняется от импульса к импульсу и проходит через локальный максимум, соответствующий номеру лазерного импульса, при котором завершается основная стадия создания микроканала в мишени. Возникающее внутри микроканала вблизи поверхности твердотельной мишени плазменное облако служит распределенным источником рентгеновского излучения. Апробация работы и публикации

Результаты исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 5 научных статьях (из них 3 в журналах из списка ВАК России), а также докладывались на следующих научных конференциях: 11-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2004" (Москва, Россия, 2004), 8-я международная научно-техническая конференция "Оптические Методы Исследования Потоков-2005" (Москва, Россия, 2005), 10-я международная школа для студентов и молодых учёных по оптике, лазерной физике и биофизике "Saratov Fall Meeting-2006" (Москва, Саратов, 2006), 14-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2007" (Москва, Россия, 2007), международная конференция по применению лазеров в науках о жизни "LALS-2007" (Москва, Россия, 2007), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике "ICONO/LAT 2007" (Минск, Белоруссия, 2007), международная конференция "ALT'08" (Шиофок, Венгрия, 2008), 16-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2009" (Москва, Россия, 2009), 39-я международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами "ФВЗЧК-2009" (Москва, Россия, 2009), III Всероссийская молодежная школа-семинар с международным участием "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики" (Москва, Россия, 2009.

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, четырёх глав, заключения, благодарностей и списка цитированной литературы. Работа изложена на 135 страницах, включает 76 рисунков, 2 таблицы и список литературы (общее число ссылок 147).

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. Проанализированы основные особенности взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными мишенями.

В параграфе §1.1 обсуждены основные механизмы генерации высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы и связь таких её характеристик, как средняя энергия горячих электронов и выход квантов характеристического и тормозного рентгеновского излучения, с такими параметрами фемтосекундного лазерного излучения как интенсивность и длина волны. Рассмотрены особенности генерации высокотемпературной плазмы и сопутствующих процессов, возникающих при взаимодействии последовательности импульсов высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с лазерно-модифицированными и структурно-неоднородными твердотельными мишенями, находящимися в воздухе.

Далее в параграфе §1.2 обсуждается специфика метода гомодинной рефлектометрии с временным разрешением применительно к задачам диагностики параметров лазерно-модифицированных и структурно-неоднородных твердотельных сред, приведены основные достоинства и недостатки данного невозмущающего метода диагностики, который основан на использовании квазинепрерывного фемтосекундного лазера. В выводах к первой главе на основании обзора литературы дается обоснование поставленным в диссертационной работе целям в виде кратких формулировок неисследованных задач, объединённых темой работы.

Во второй главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на создание гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного лазера (в дальнейшем фемтосекундный рефлектометр). Изучены пути расширения его возможностей за счет повышения отношения сигнал/шум, перехода в другой спектральный диапазон. Рассмотрена применимость использования данного гомодинного рефлектометра в качестве оптического профилометра для измерения глубин микроканалов в твердотельных мишенях.

В параграфе §2.1 изложен принцип работы гомодинного рефлектометра, основным элементом которого является фемтосекундный хром-форстеритовый лазер (длина волны лазерного излучения >.=1.25 мкм, длительность импульса т=80 фс, частота повторения импульсов 110 МГц, средняя мощность выходного излучения 100 мВт), и приведены его основные параметры (пространственное разрешение и отношение сигнал/шум). Схема

фемтосекундного рефлектометра (см. Рис. 1) представляет собой интерферометр

7 3 15 > 1

/ Т

6 15ч 1-

1 8

11 . .

15-1 Лй

8 .и 8: .12

Рис. 1 Схема фемтосекундного рефлектометра с балансной схемой компенсации шумов. 1 -фемтосекундный хром-форстеритовыи лазер, 2 - телескоп, 3 - апоминиевые зеркала, 4,5- делительные пластинки, б - оптическая задержка, 7 - подвижное зеркаю, 8 - линзы, 9 - исаедуемыи объект, 10 -поляризатор, 11, 12 - фотодетекторы, 13-днфференщюлъныи усилитель, 14-ЛЦП, сопряжённый с ПК, 15 - диафрагмы.

Майкельсона с балансной схемой подавления шумов, позволяющей увеличить отношение сигнал/шум в 102 раз. Телескоп (2) образован двумя положительными линзами и служит для коллимирования лазерного излучения. Фотоприёмник (12) используется для компенсации шумов лазера и включён в схему дифференциального усилителя (13), на вход которого также поступает и полезный сигнал с фотоприёмника (11). Поляризатор (10) предназначен для выравнивания интенсивностей излучения, приходящего на фотоприёмники (11) и (12) в отсутствии сигнала от объекта. Стеклянный клин (6) служит в качестве линии задержки, а зеркало (7) на колеблющейся подставке осуществляет доплеровский сдвиг частоты опорного пучка. При этом сканирование объекта по глубине производится путём движения зеркала (7) в 7-направлении. При неподвижном зеркале (7) доплеровский рефлектометр мог использоваться и в качестве доплеровского измерителя скорости. Оценено продольное разрешение данного рефлектометра, которое зависит от длительности лазерного импульса и составляет около 25 мкм, при этом поперечное разрешение определяется размером перетяжки фокусирующей на объект оптики. Приведена процедура обработки обратно рассеянного сигнала.

Для оценки потенциальных возможностей рефлектометра проведен ряд измерений

методического характера. Измерена зависимость мощности обратно рассеянного сигнала и

глубины зондирования от концентрации рассеивающих частиц. В этом случае рефлектометр

выступал в качестве доплеровского измерителя скорости, с помощью которого измерялись

зависимости мощности обратно рассеянного излучения от времени задержки фотонов в

движущейся водной взвеси интралипида различной концентрации. В результате

проведённых исследований было установлено, что при переходе от однократного режима

рассеяния к рассеянию малой кратности (кратность около 3, концентрация интралипида 2.4

%) мощность обратно рассеянного излучения возрастает. Однако при дальнейшем увеличении концентрации рассеивателей и переходу к рассеянию большой кратности (более 10) глубина зондирования падает. В оптимальном режиме зондирования сильно рассеивающих сред отношение сигнал/шум составляло около 103.

Далее рассмотрена возможность применения рефлектометра в динамической задаче движения границы раздела фаз в структурно-неоднородной сильно-рассеивающей твердотельной среде. Для этой цели изучался характер изменения сигнала обратного рассеяния в процессе испарения жидкой фазы из насыщенного жидкостью (этиловый спирт) слоя пористой среды (лист бумаги толщиной 80 мкм). Проанализирована зависимость мощности обратно рассеянного излучения из объекта от времени испарения, из которой можно оценить время появления фронта раздела фаз (резкое увеличение мощности рассеянного назад излучения на заданной глубине) в разных слоях. Оценка для интегральной скорости распространения фронта составила 0.08 мкм/с, а времени случайного перехода жидкости из одной поры в другую х=0.1 с.

Проведены измерения такого ключевого параметра структурно-неоднородной твердотельной среды как редуцированный коэффициент рассеяния. В качестве мишени была взята пластинка дентина. Дентин состоит из коллагеновых волокон, минеральных составляющих, внедрённых в гидроксиапатические кристаллы, и воды. Он представляет собой сложную структуру, пронизанную дентиновыми трубками. Для определения влияния их свойств на процесс рассеивания в дентине были выбраны пластинки, имеющие поперечную и продольную ориентацию трубок. Они крепились на дюралевой подложке. На Рис. 2 представлена зависимость мощности обратно рассеянного излучения от времени

ш. 10"

о." 10*

10' 10' 10'

! >

I }

А*

т, пс

Рис. 2 Зависимость мощности обратно рассеянного излучения от времени задержки фотонов в пластинке дентина толиртои 1 лш (я) и 200 мкм (о) с поперечной ориентацией дентгшовых трубок внутри.

задержки фотонов в пластинке дентина с поперечной ориентацией дентиновых трубок. В зависимости можно выделить две области. Первая (см. 1 на Рис. 2) - мощный пик, создаваемый фотонами, отражёнными от передней поверхности мишени, и вторая - длинный "хвост" многократно рассеянных в среде фотонов (см. 2 на Рис. 2). Оценённый редуцированный коэффициент рассеяния для дентина составил //.5=3000 см"1. В зависимости

мощности обратно рассеянного излучения от времени задержки фотонов для пластинки дентина толщиной 200 мкм с поперечной ориентацией дентиновых трубок присутствует интенсивный пик (см. 3 на Рис. 2), который может соответствовать отражению от поверхности дюралевой подложки, смежной с задней поверхностью пластинки дентина. Полученные данные позволили сделать вывод о том, что тонкая пластинка дентина с поперечной ориентацией дентиновых трубок проявляет выраженные волноводные свойства.

В параграфе §2.2 обсуждена возможность создания двухволнового рефлектометра, который может зондировать объект как на основной длине волны хром-форстеритового лазера, так и на длине волны его второй гармоники. Отличительной особенностью фемтосекундного хром-форстеритового лазера является то обстоятельство, что с его помощью можно получить высокую эффективность преобразования во вторую гармонику используя, например, кристалл 1.ВО. Выполненные теоретически оценки показали возможность получения эффективности преобразования во вторую гармонику порядка 10 % при средней мощности 100 мВт (энергия в импульсе 0.5 нДж). В экспериментах нелинейный кристалл ЬВО помещался внутрь телескопа (2) (см. Рис. 1). Экспериментально получена эффективность преобразования излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера во вторую гармонику в кристалле ЬВО Г|=9 % при энергии лазерного импульса 0.5 нДж. С помощью фемтосекундного рефлектометра, работающего на длине волны .0.625 мкм, получен сигнал обратного рассеяния из тестового объекта (бумаги) с отношением сигнал/шум 500.

В параграфе §2.3 обсуждаются результаты исследований возможности.увеличения отношения сигнал/шум в фемтосекундном рефлектометре при использовании в его схеме нелинейного поглотителя. Балансная схема компенсации шумов позволяет в значительной степени компенсировать шумы лазера. При этом некомпенсированными остаются шумы, связанные с флуктуацией длительности и фазы лазерного излучения. Для дополнительного увеличения сигнал/шум нами предложено использовать нелинейный поглотитель на основе одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). В экспериментах нелинейный поглотитель помещался внутрь телескопа 2 (см. Рис. 1). Нами измерена зависимость его нелинейного пропускания от интенсивности лазерного излучения, которое составляло около 8 % при оптимальной интенсивности 1=5-107 Вт/см2. Оценена плотность энергии квазинепрерывного фемтосекундного лазерного излучения, при которой возникает деградация поглотителя, составляющая 0^=2.2 Дж/см2. Далее были проведены измерения отношения сигнал/шум при использовании в схеме фемтосекундного рефлектометра нелинейного поглотителя. Установлено, что эффективное подавление шумов в экспериментах наступало при одновременном использовании балансной схемы компенсации шумов и нелинейного

поглотителя на базе одностенных УНТ (Рис. 3). Максимальное значение отношения сигнал/шум составило около 4-104.

I, Вт/см

Рис. 3 Зависимость пропускания нелинейного поглотителя (и) и отношения сигнал/шум (о) для фемтосекундного рефлектометра от интенсивности лазерного ихчучения Отношение сигнач/шум без нелинейного поглотителя показано линией. В качестве тестового объекта взят лист бумаги.

В заключительном разделе показано, что фемтосекундный рефлектометр может быть использован и в качестве оптического профилометра. В схеме максимальная глубина зондирования составила 1 мм и определялась амплитудой качания подвижного зеркала. В экспериментах измерена глубина микроканалов, созданных в процессе абляции под действием фемтосекундных лазерных импульсов в твердотельной мишени (алюминиевая фольга, дентиновая пластинка). На зависимости мощности обратно отражённого излучения от времени задержки фотонов внутри микроканалов различной глубины в сплошной твердотельной мишени (Рис. 4) можно выделить 3 характерных пика, которые соответствуют

X & 10"

О.

10'

ш'

0,0 0,2 0,4 0,6

Рис. 4 Зависимость мощности отражённого излучения от времени задержки фотонов в микроканаче (о) и сквозном микроканале, созданном в тонкой алюминиевой фольге (ж).

0,8 1,0 т, по

различным отражающим поверхностям в микроканале. Время то соответствует приходу фотонов, отражённых от поверхности мишени, ему соответствует диаметр пучка на поверхности мишени бо; Т] - время прихода фотонов, отражённых от промежуточной плоскости с!1<с1о ("отражающего кольца") между дном кратера и поверхностью мишени; время Т2 соответствует приходу фотонов со дна микроканала с диаметром (Ь, сЬ<с)1<с1о. Установлено, что глубина микроканала в толстой фольге толщиной 100 мкм составляла к~70 мкм. Для сравнения на Рис. 4 также приведена зависимость мощности отражённого излучения из сквозного микроканала глубиной И~50 мкм в тонкой алюминиевой фольге,

находящейся на алюминиевой подложке. Это позволило независимым способом оценить толщину тонкой алюминиевой фольги. Из проведенных экспериментов следует, что рефлектометр позволяет измерять глубины микроканалов и в структурно-неоднородных средах, с помощью него была измерена глубина микроканала внутри дентиновой пластинки, которая в наших экспериментах составила /¡=310 мкм.

Вторая часть диссертационной работы посвящена вопросам исследования оптических и рентгеновских спектров плазмы, создаваемой интенсивными (1>1013 Вт/см2) фемтосекунднымн лазерными импульсами, и диагностике лазерно-индуцированных в прозрачной твердотельной мишени микромодификаций.

В третьей главе диссертационной работы приведены результаты исследования спектров оптического диапазона, излучаемых лазерно-индуцированной плазмой внутри микроканала в структурно-неоднородной твердотельной мишени, находящейся в воздухе.

В параграфе §3.1 описана схема экспериментальной установки на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера (длина волны лазерного излучения Х=1.24 мкм, длительность импульса т=140 фс, частота повторения импульсов 10 Гц, энергия в импульсе около 400 мкДж, диапазон интенсивностей 1~10п-1015 Вт/см2), волоконного спектрометра Solar Til, измерителя средней мощности лазерного излучения и фокусирующей оптики.

Далее в параграфе §3.2 приведены результаты, связанные с процессом взаимодействия излучения хром-форстеритового лазера при низких уровнях интенсивностей Вт/см2) со структурно-неоднородной твердотельной мишенью, в качестве которой была взята пластинка дентина. Известно, что дентин, являясь сильно рассеивающей средой, проявляет нелинейно-оптические свойства - в нём возможна генерация второй гармоники (ГВГ). Воздействие сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения на мишень, находящуюся в воздухе, сопровождается процессом генерации третьей гармоники (ГТГ), развивающейся в приповерхностной области. Эти эффекты позволяют получать реперные линии, важные при последующем анализе спектра лазерно-индуцированной плазмы. Измерения оптического спектра плазмы происходили в направлении распространения лазерного излучения. При интенсивностях I— 1013 Вт/см2 в зоне взаимодействия излучения с дентином (на поверхности мишени и внутри кратера, создаваемого в процессе лазерной абляции) возникает лазерно-индуцированная плазма, в спектре которой на фоне излучения второй и третьей гармоник возбуждающего лазерного излучения проявляются спектральные линии ионизированных атомов Са, Na и О.

В параграфе §3.3 обсуждаются результаты проведенных исследований нелинейных процессов, возникающих при создании микроканала в структурно-неоднородной твердотельной среде (дентин) при воздействии на её поверхность фемтосекундным лазерным

излучением интенсивностью 1=3• 1015 Вт/см2. Средняя скорость абляции дентина при заданных экспериментальных условиях составила около 4 мкм/импульс. Она определялась по числу лазерных импульсов, которое было необходимо для создания сквозного канала в пластинке дентина толщиной 200 мкм. Спектр излучения плазмы из микроканала в дентине регистрируется в направлении назад и имеет ряд особенностей: наряду с существующими характеристическими линиями однократно и двукратно ионизированных атомов Си, Сац, N11, №[, О1 и Рц на нём видно уширение в голубую область спектра ГТГ, возникающей в воздухе вблизи микроканала (см. Рис. 5). Особенности генерации ГВГ и ГТГ обсуждаются в

Рис. 5 Спектр излучения (а - панорамный. 6-6 области третьем гармоники, б - в области второй гармоники) из микроканат в дентине при интенсивности лазерного излучения 1~3-1015 Вт/см2 (я), ¡>спсрпыс линии ГВГ и ГТГ (апошная линия), полученные при 1~10" Вт/см2.

диссертационной работе. Уширение АХ спектра ГТГ может быть связано с увеличением концентрации свободных электронов вследствие формирования плазменного облака, насыщенного микрочастицами, вблизи поверхности мишени. Оценки показывают, что при уширении спектра ГТГ на ДХ~10 нм концентрация свободных электронов в плазменном облаке может достигать величины пе~7-1018 см"3.

Основные результаты, представленные в четвёртой главе диссертационной работы, связаны с исследованием эффективности генерации жёсткого (>2 кэВ) лазерно-пндуцированного рентгеновского (тормозного и характеристического) излучения, возникающего из высокотемпературной плазмы в микроканале при интенсивностях фемтосекундного лазерного излучения (1>1015 Вт/см2).

В параграфе §4.1 приведена методика регистрации генерируемого в высокотемпературной плазме жёсткого рентгеновского излучения. В начале обсуждаются особенности генерации лазерно-индуцированного характеристического жёсткого рентгеновского излучения из плазмы твердотельной мишени, находящейся в вакууме и газовой среде. Далее описан используемый в экспериментах рентгеновский спектрометр на базе пропорционального блока детектирования (БДП) и многоканального процессора ЭВЗ-79, сопряжённого с компьютером. Рабочий диапазон спектрометра 2-^20 кэВ, его энергетическое разрешение порядка 20 %. Приведены данные по чувствительности данного спектрометра, результаты калибровки с использованием различных источников

610 620 630 640 650 660

X, нм

400 450 500 550 600 650

ав 650 А, Н1\

380 400 420 440 X, НМ

рентгеновского излучения. Далее описана схема экспериментальной установки (см. Рис. 6) и процедура обработки регистрируемого рентгеновского сигнала.

у-

а-./

□

Рис. 6 Схема экспериментальной установки. 1 - фемтосекундная хром-форстсршповая лазерная система, 2 -фокусирую1цая линза, 3 - исследуемый объект, 4 - измеритель мощности, 5, 5 - ФЭУ со арштнллятором Nal, 6 -заряда- чувствительный усилитель (¡ЧУ), 7 - АЦП, Я - ПК, 9 - диафрагма, 10 - ВЦП, расположенный под углом а к поверхности mhuichu.

В параграфе §4.2 приведены результаты исследований связи номера лазерного импульса в последовательности сфокусированных высокоинтенсивных (F=6 см, 1=3-10|! Вт/см2) лазерных импульсов, создающих микроканал, с его глубиной и интегральным выходом жесткого рентгеновского излучения из плазмы в микроканале. В качестве мишеней выбраны кристаллы LiF и CaF2. Эти объекты оптически прозрачны, поэтому созданные в них остаточные микромодификации могут быть визуализированы с помощью оптического микроскопа. По полученным с помощью микроскопа профилям микроканалов была оценена средняя скорость абляции, которая составила около 1.5 мкм/импульс. Зависимость интегрального выхода жёсткого рентгеновского излучения из микроканала в кристаллах LiF и CaF: от номера лазерного импульса немонотонна и имеет локальный" максимум, расположенный в диапазоне с 30-го и до 50-го номера акта взаимодействия. Зная среднюю скорость абляции, можно связать число лазерных импульсов в данной зависимости с глубиной микроканала. Микроканал глубиной около 35 мкм возникал в результате процесса абляции под действием примерно 30 первых импульсов. Кроме того, за микроканалом внутри кристалла LiF наблюдается остаточная микромодификация, не связанная с процессом абляции (см. Рис. 7). Механизм образования этой остаточной внутриобъёмной

S0 мкм

35,

50 мкм

Рис. 7 Фото .чикромодификацгш в крнстапе LiF, созданных последовательностью в 50 сфокусированных лазерных импульсов интенсивностью 1x310" Bm/cv.

микромодификации обсуждается в диссертационной работе.

Далее приведена методика визуализации поверхностных и внутриобъёмных микромодификаций в кристалле ЫР с помощью оптического возбуждения наведённых

центров окраски. Такие центры возникают в щелочно-галоидных кристаллах вследствие поглощения кванта рентгеновского излучения или многофотонного поглощения лазерного излучения. Ширина запрещённой зоны кристалла ЬП7 составляет около 14 эВ. Осуществлена визуализация зоны взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с поверхностью кристалла ЫИ по переизлучению (длина волны люминесценции 540 им) наведенных Рз+-центров. Длина волны излучения возбуждающего люминесценцию лазера была около 450 нм. Диаметр зоны на поверхности кристалла 1лР оказался около 10 мкм и был близок к размеру лазерного пучка в перетяжке фокусирующей линзы.

В заключительной части раздела обсуждаются особенности интегрального выхода жёсткого рентгеновского излучения из микроканала, создаваемого в структурно-неоднородной твердотельной мишени (дентин). В экспериментах был зарегистрированы высокоэпергетические (Е>15 кэВ) рентгеновские кванты, появление которых связывается с увеличением энергии квантов тормозного рентгеновского излучения вследствие повышения температуры горячих электронов в создаваемом микроканале.

Параграф §4.3 посвящён особенностям процесса генерации К характеристического рентгеновского излучения из плазмы внутри микроканала, создаваемого в сплошных (Си, Т1, СаИг) и структурно-неоднородных (дентин) твердотельных мишенях, находящихся в воздухе. Приведены оценки для конверсии лазерного излучения в К характеристическое рентгеновское излучение из микроканала, составляющие около (1-^2)-10'7 для разного типа мишеней.

Далее обсуждаются особенности изменения выхода излучения К линии Са (Е=3.7 кэВ) по мере развития микроканала в кристалле СаРг под действием лазерного излучения с интенсивностью (1=3'1015 Вт/см2). В экспериментах мишень облучалась серией лазерных импульсов (энергия в лазерном импульсе составляла Е=450 мкДж, число лазерных импульсов в серии - 1, 10, 30, 50 и 100) с различным энергетическим контрастом. При «одноймпульсном» режиме воздействия (каждый лазерный импульс взаимодействовал со «свежен» поверхностью кристалла СаРг) в спектре рентгеновского излучения (см. Рис. 8) «узкая» линия К характеристического рентгеновского излучения проявляется на фоне «широкого» распределения тормозного излучения. Исходя из известной экспоненциальной

энергии горячих электронов в приповерхностной плазме, которая оказалась <Г/,>=4±1 кэВ.

аппроксимации распределения тормозного излучения

Число квантов, N

6 7

8 9 10 Е, кэВ

Рис. 8 Спектр рентгеновского излучения при «одноимпульсном» режиме воздействия лазерного излучения на мишень (я) и аппроксимации тормозного и К характеристического излучений (сплошная узкая и широкая линия соответственно).

Установлено, что выход К характеристического излучения Са сначала возрастает при увеличении числа импульсов в серии до 30+50 импульсов, а потом спадает (см. Рис. 9). Это

§7x10"

3 6x104

^ 5x10

2 4x104 о в

3x10

Рис. 9 Зависимость выхода К характеристического излучения из микрокаиала в (.'а1:2 от количества ................................................ (у лазерных импульсов N при контрасте лазерного

0 20 40 60 80 100 излучения 0.0¡7 (я) и 0.004 (>). согласуется с характером изменения интегрального выхода жёсткого рентгеновского излучения из микроканала в кристалле СаРг и связано с завершением основной стадии создания микроканала. При этом конверсия лазерного излучения в К характеристическое рентгеновское излучение для мишени СаРг, находящейся в атмосфере воздуха, возрастает примерно в 2 раза при создании микроканала, достигая величины ~10'7.

В заключительной части раздела приведены результаты экспериментов по угловой зависимости выхода К характеристического излучения в режиме создания микроканала в твердотельной мишени. БДП выставлялся в четырёх различных положениях относительно поверхности мишени. Особенностью полученных результатов являлось то обстоятельство, что характеристическое рентгеновское излучение наблюдалось и в направлении вдоль поверхности мишени. В диссертации обсуждается возможный механизм генерации рентгеновского излучения, обуславливающий слабую угловую зависимость регистрируемого характеристического излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в рамках настоящей диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Установлено, что использование нелинейного поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок в сочетании с балансной схемой компенсации шумов позволяет в схеме гомодинного рефлектометра, построенного на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера, увеличить отношение сигнал/шум системы до 5 раз при интенсивности падающего на нелинейный поглотитель лазерного излучения 1—5• 107 Вт/см2. С помощью рефлектометра измерена глубина микроканала в пластинках алюминия и дентина, которая составила около 70 и 310 мкм соответственно.

2. В процессе создания микроканала в пластинке дентина высокоинтенсивным (1=3-1015 Вг/см2) излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера зарегистрировано жесткое рентгеновское излучение (Е>15 кэВ). В регистрируемом оптическом спектре лазерно-индуцированной плазмы наряду с характеристическими линиями однократно и двукратно ионизированных атомов Си, Сап, N11, Ыа^ О1 и Рп наблюдается уширение в голубую область спектра третьей гармоники лазерного излучения.

3. Исследована зависимость выхода К характеристического излучения для различного типа твердотельной мишени (кристалл СаРг, дентин), находящейся в воздухе, при воздействии на ее поверхность последовательностью сфокусированных (Р=6 см), лазерных импульсов С1~3-1015 Вт/см2) от глубины создаваемого микроканала. Получено, что максимум выхода характеристического излучения приходится на 30^-50 лазерный импульс, что соответствует глубине микроканала около 60 мкм.

4. При воздействии на поверхность кристалла СаРг, находящегося в воздухе, одиночным лазерным импульсом и последовательностью импульсов (режим создания микроканала) определена конверсия высокоинтенсивного лазерного излучения (1=3-1015 Вт/см2) в К характеристическое. Эффективность преобразования лазерного излучения в К характеристическое рентгеновское излучение возрастает с 6-Ю"8 (с поверхности) до 10"7 (в микроканале).

5. Получена угловая зависимость выхода К характеристического излучения из микроканала в кристалле СаРг при воздействии на него последовательностью лазерных импульсов (до 50 лазерных импульсов в серии). Наблюдаемый выход К характеристического излучения в направлении вдоль поверхности мишени может свидетельствовать о том, что плазменное облако находится вблизи поверхности мишени и является распределенным источником рентгеновского излучения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации отражены в следующих статьях:

1. Gordienko V.M., Bestemyanov К.P., Khomenko A.S., Konovalov A.N. Podshivalov A.A., Femtosecond time-resolved reflectometry for studying micro and nanostructured strongly scattering material II Proceedings ofSPlE, 5850, 136-145 (2005).

2. Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Eremin N.V., Khomenko A.S., Rakov E.V., Savel'ev A.B., and Volkov R.V. Laser-induced deuteration of a titanium target and neutron generation under the action of superintense femtosecond laser radiation II Laser Physics, 15(8), 11541162 (2005).

3. Gordienko V.M., Konovalov A.N., Khomenko A.S. Dual-wave heterodyne refleciometer based on femtosecond Criforsterite laser for investigation of light pulse propagation dynamics in strongly scattering media II Proceedings of SPIE, 6536, 65360L(3) (2007).

4. Gordienko V.M., Khomenko A.S., Konov V.I., Lobach A.S., Obraztsova E.D. Femtosecond refleciometer with saturable absorber based on single-walled carbon nanotubes И Laser Physics Letters, 6(2), 145-148 (2008).

5. Gordienko V.M., Makarov I.A., Khomenko A.S., Timofeev M.A., Tuchin V.V. Microspectral analysis of dentine with femtosecond laser induced plasma II Laser Physics, 19(6), 1288-1293 (2009).

и докладывались на российских и международных конференциях:

1. Бестемьянов К.П., Хоменко А.С., Шелепина Д.Н. Распространение ИК-фемтосекундных импульсов и динамика испарения жидкости в пористой среде П Сборник тезисов XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004", секция "Физика" (Москва, Россия, 12-15 апреля 2004), с. 198-199.

2. Бестемьянов К.П., Гордиенко В.М., Коновалов А.Н., Подшивалов А.А., Хоменко А.С. Прецизионная диагностика скорости движения жидкости в капиллярах в режиме однократного и многократного рассеяния И Сборник тезисов VIII Международной научно-технической конференции "Оптические Методы Измерения Потоков-2005" (Москва, Россия, 28 июня - 1 июля 2005), с. 338-343.

3. Макаров И.А., Хоменко А.С. Спектр дентина при воздействии излучением фемтосекундного лазера с интенсивноетями до 5-1015 Вт/см2 И Сборник тезисов XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2007" (Москва, Россия, 11-14 апреля 2007).

4. Gordienko V.M., Khomenko A.S., Makarov I.A., Rakov E.V. Hot electrons production and harmonic generation from plasma in a channel produced by superintense femtosecond laser

radiation in solid targets II Technical Digest of International Conference on Coherent and Nonlinear Optics "ICONO/LAT 2007" (Minsk, Belarus, 28 May - 1 June 2007), p. I03/V-5.

5. Gordienko V.M., Khomenko A.S., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Konov V.I. Dual-wave homodyne reflectometer for biomedical applications based on femtosecond Cr:forsterite laser with noise suppressing saturable absorber II Technical Digest of International conference on Laser Applications in Life Sciences "LALS-2007" (Moscow, Russia, 11-14 June 2007), p. WeL02-II/3.

6. Gordienko V.M., Khomenko A.S., Makarov I.A., Podshivalov A.A., Zhvania I.A. Hard X-ray emission and harmonic generation from femtosecond laser induced microchannel II Book of abstracts of International conference "ALT-08" (Siofok, Hungary, 13-18 September 2008), p. 115.

6. Макаров И.А., Хоменко A.C. Генерация характеристического рентгеновского излучения при формировании микроканалов излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера II Сборник тезисов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2009" (Москва, Россия, 14-17 апреля 2009).

7. Гордиенко В.М., Макаров И.А., Петухов В.П., Хоменко А.С. Фемтосекундная лазерная плазма в микроканапе кристалла CaFi и эффективная генераг1ия характеристического рентгеновского излучения // Тезисы докладов XXXIX Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами "ФВЗЧК-2009" (Москва, Россия, 26-28 мая 2009), с. 83.

8. Гордиенко В.М., Петухов В.П., Хоменко А.С. Глубокие канаты в дентине, возникающие под действием ИК фемтосекундного лазерного излучения, и сопутствующая генерация жесткого рентгеновского излучения // Программа и аннотации докладов III Всероссийской молодежной школы-семинара с международным участием "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики" (Москва, Россия, 25-30 октября 2009), с. 50.

Заказ № 52-а/02/10 Подписано в печать 15.02.2010 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

4:'-> , ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30

^)} mvw.cfr.ru; е-таИ:т/о@ф.ги

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Хоменко, Антон Сергеевич

Введение.

Глава 1. Обзор основных работ по исследованию отклика сплошной и структурно-неоднородной твердотельной среды при взаимодействии с фемтосекундным лазерным излучением.

§1.1 Лазерно-индуцированная плазма под действием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения и процесс абляции в твердотельных мишенях.

§ 1.2 Невозмущающие методы диагностики сплошной и структурнонеоднородной твердотельной среды.

Глава 2. Двухволновой гомодинный рефлектометр на базе хром-форстеритового лазера для изучения параметров сильно рассеивающих структурно-неоднородных и лазерно-модифицированных сред.

§2.1 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных и лазерно-модифицированных сред гомодинным рефлектометром, использующим основное излучение фемтосекундного хром-форстеритового лазера.

2.1.1 Экспериментальная схема и обработка результатов эксперимента.

2.1.2 Влияние концентрации рассеивателей на сигнал обратного рассеяния.

2.1.3 Исследование процесса движения границы раздела фаз в структурно-неоднородной среде.

2.1.4 Распространение фемтосекундных лазерных импульсов в структурно-неоднородных средах.

§2.2 Исследование сильно рассеивающих структурно-неоднородных сред гомодинным рефлектометром, использующим вторую гармонику основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера.

2.2.1 Теоретическая оценка эффективности преобразования основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера во вторую гармонику.

2.2.2 Экспериментальное измерение мощности второй гармоники и оценка эффективности преобразования основного излучения во вторую гармонику фемтосекундного хром-форстеритового лазера.

2.2.3 Динамика распространения УК-лазерных импульсов в сильно-рассеивающей среде на длине волны второй гармоники основного излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера (0.625 мкм).

§2.3 Увеличение отношения сигнал/шум в схеме фемтосекундного рефлектометра при применении в его схеме нелинейного поглотителя на базе одностенных углеродных нанотрубок.

2.3.1 Исследование оптических свойств нелинейного поглотителя на основе одностенных УНТ.

2.3.2 Деградация нелинейного поглотителя под действием фемтосекундных лазерных импульсов.

2.3.3 Увеличение отношения сигнал/шум в фемтосекундном рефлектометре с помощью нелинейного поглотителя на базе одностенных УНТ.

2.3.4 Оптический профилометр на основе фемтосекундного рефлектометра.

Выводы.

Глава 3. Исследование оптического отклика и микромодификаций твердотельных сред при воздействии на них интенсивного фемтосекундного ИК-лазерного излучения (1~10П-И.015 Вт/см2).

§3.1 Экспериментальная схема.

§3.2 Оптический отклик структурно-неоднородной твердотельной среды (дентина) при воздействии на неё фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1~10п-Н013Вт/см2.

§3.3 Оптический спектр свечения плазмы, создаваемой в микроканале в структурно-неоднородной среде (дентин) фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью I—1015 Вт/см2.

Выводы.

Глава 4. Генерация и диагностика параметров жёсткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы.

§4.1 Методика генерации и регистрации жёсткого рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы с помощью рентгеновского спектрометра.

4.1.1 Особенности генерации жёсткого К характеристического рентгеновского излучения из высокотемпературной лазерной микроплазмы.

4.1.2 Принципиальная схема рентгеновского спектрометра на базе пропорционального блока детектирования и многоканального процессора.

§4.2 Генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы в микроканале, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением.

4.2.1 Создание микроканала в оптически прозрачных средах и генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканале фемтосекундным лазерным излучением.

4.2.2 Визуализация поверхностных и внутриобъёмных микромодификаций в кристалле ЫБ с помощью оптического возбуждения наведённых центров окраски.

4.2.3 Генерация жёсткого рентгеновского излучения из плазмы, индуцированной в микроканале структурно-неоднородной среды фемтосекундным лазерным излучением.

§4.3 Генерация характеристического излучения из плазмы в микроканале твердотельной мишени, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением.

4.3.1 Генерация характеристического излучения из плазмы в микроканале твердотельных мишеней различного элементного состава, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением.

4.3.2 Исследование зависимости выхода характеристического излучения из плазмы, индуцированной в микроканале твердотельной мишени фемтосекундным лазерным излучением, от глубины создаваемого микроканала.

4.3.3 Исследование источника характеристического излучения, возникающего при создании микроканала.

Выводы.

Благодарности.

Введение диссертация по физике, на тему "Генерация высокотемпературной плазмы в лазерно-продуцированных микроканалах в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах фемтосекундным лазерным излучением"

Актуальность темы

Создание и развитие фемтосекундных лазерных систем обеспечило возможность решения широкого класса задач по взаимодействию лазерного излучения сверхкороткой длительности с веществом [1-5]. Эффективность нелинейных взаимодействий и самовоздействий лазерного излучения зависит от напряженности светового поля и ограничивается интенсивностью, при которой развивается процесс ионизации среды. Для фемтосекундных лазерных импульсов эта величина не превышает 100 ТВт/см2 [1]. При больших значениях интенсивностей (1>1 ПВт/см2) происходит быстрая ионизация атомов, и электроны с высоким темпом набирают энергию, которая может существенно превышать уровень в 1 кэВ. В итоге возникает так называемая фемтосекундная лазерная плазма (ФЛП), являющаяся новым уникальным физическим объектом. Она обладает концентрацией электронов, превышающей твердотельную плотность [1, 2], и отличается высоким градиентом плотности, при этом в поглощении и отражении лазерного излучения доминируют нелинейные механизмы. Плотная фемтосекундная лазерная плазма является источником сверхкоротких рентгеновских импульсов [2, 3, 6, 7]. Некогерентное рентгеновское излучение, основу которого составляет тормозное и характеристическое излучение лазерной плазмы, может быть использовано как для диагностики параметров самой ФЛП, так и для таких задач как возбуждение низколежащих ядерных уровней [8], изучение химических процессов на сверхкоротких временах [9], микроскопия и неразрушающий контроль биологических объектов [10] и др.

В качестве мишеней для генерации ФЛП могут выступать объекты различной природы: вещество в конденсированном состоянии [2, 3] и кластеры [11], представляющие семейство наноматериалов. В последние годы всё больший интерес начинают привлекать структурно-неоднородные среды, проявляющие, с одной стороны, эффективные нелинейно-оптические свойства [12], а с другой стороны, позволяющие управлять параметрами ФЛП, существенно повышая энергию горячих электронов и выход рентгеновского излучения [13]. Под структурно-неоднородными средами в данной работе понимаются такие среды, компоненты которых различаются друг от друга по ряду физических параметров (коэффициенты рассеяния и поглощения, преломления, нелинейностям второго и третьего порядка и др.) на микро- и субмикронных масштабах. К множеству структурно-неоднородных сред можно отнести: фотонные кристаллы, сильно рассеивающие пористые объекты (пористые полупроводники и металлы и т.д.), объекты с волокнистой структурой (коллаген, дентин и т.д.) и др.

В большинстве работ, связанных с задачами взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом, использовались металлические мишени.

Вместе с тем, слабо исследованные диэлектрические мишени по ряду причин также представляют значительный интерес. Во-первых, такие мишени менее чувствительны к контрасту лазерного излучения по сравнению с металлами. Во-вторых, процесс абляции (лазерно-стимулированное удаление вещества [14]) протекает по-разному для металлических и диэлектрических мишеней [15]. В-третьих, большинство диэлектриков прозрачно в оптическом диапазоне, и в них легко наблюдать индуцированные интенсивным лазерным излучением изменения (микромодификации, каналы). Наконец, большая часть биологических объектов (коллаген, костная ткань и др.), активно исследуемых в последнее время в рамках проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом, также относится к семейству диэлектриков. Диэлектрики являются мишенями с относительно малым атомным номером 2>~20-К30, поэтому в них возможна эффективная генерация жесткого (более 2 кэВ) характеристического и тормозного рентгеновского излучения при интенсивностях лазерного излучения 1~1015-1016Вт/см2 [16].

Картина взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с мишенью изменяется при переходе от одноимпульсного к многоимпульсном режиму. В этом случае происходит не только микромодификация поверхностного рельефа мишени, но и может формироваться кратер (или глубокий канал) в объеме мишени за счет процесса абляции. Растущий интерес к лазерной абляции излучением лазеров с ультракороткими длительностями импульсов вызван их применением в задачах прецизионной обработки материалов, элементного микроанализа, напыления плёнок и др. [17, 18]. Существенное преимущество фемтосекундных лазерных импульсов над лазерными импульсами с большими длительностями связано с высокими эффективностями ионизации, локализованным вкладом энергии в мишень, минимальной зоной термического и механического повреждениями [19]. При создании микроканала внутри мишени последовательностью высокоинтенсивных лазерных импульсов, энергия горячих электронов в микроплазме оказывается выше по сравнению с одноимпульсным режимом воздействия на мишень [20]. Вследствие этого должна происходить более эффективная генерация и характеристического рентгеновского излучения, что требует экспериментального исследования.

Особенностью создания микроканалов при нахождении мишени в воздухе является то обстоятельство, что при плотности энергии лазерного излучения сверхкороткой длительности свыше 20 Дж/см2 кроме «придонной» плазмы [21, 22] в канале появляется ещё и плазменное облако [21, 23]. Это плазменное облако, содержащее не только частицы ионизированного воздуха, но и продукты абляции мишени, может ухудшать условия фокусировки лазерного излучения, уменьшать среднюю скорость абляции [20,23] и модифицировать спектры плазмы мишени.

Для изучения создаваемых высокоинтенсивным лазерным излучением микромодификаций (микроканалов) может быть использована техника гомодинной рефлектометрии, которая во многом аналогична оптической когерентной томографии (ОКТ), основанной на использовании фемтосекундных лазеров и являющейся одним из невозмущающих методов диагностики структуры сильно рассеивающих объектов с высоким пространственным разрешением [24]. С помощью гомодинной рефлектометрии возможно также определить глубину созданных внутри мишени микроканалов и оценить среднюю скорость абляции. Важным параметром гомодинного рефлектометра является отношение сигнал/шум. Помимо балансной схемы компенсации шумов [25, 26], которая позволяет увеличить отношение сигнал/шум до 3 порядков, дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум возможно с помощью методов на основе использования нелинейных поглотителей.

Цели диссертационной работы:

1. Изучение возможности подавления шумов в гомодинном рефлектометре на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера за счёт применения в его схеме нелинейного оптического поглотителя, состоящего из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ). Измерение глубин остаточных микромодификаций (микроканалов), возникающих в мишени при воздействии на неё интенсивным излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с помощью оптического профилометра на базе гомодинного рефлектометра с повышенным отношением сигнал/шум.

3. Измерение выхода жестокого рентгеновского излучения (тормозного и К характеристического) из высокотемпературной плазмы, зажигаемой излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с интенсивностью 1-3-1015 Вт/см2 в создаваемом микроканале мишени, находящейся в воздухе.

Научная новизна:

2. Впервые исследован оптический спектр плазмы дентина, зажигаемой в микроканале излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера с

О 1С л интенсивностью в диапазоне I—10 +10 Вт/см . Зарегистрировано уширение спектра третьей гармоники излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в голубую область и наблюдено жёсткое (Е>15 кэВ) рентгеновское излучение при создании микроканала в твердотельной мишени, находящейся в воздухе, при интенсивности (1-3-1015 Вт/см2).

3. Впервые выполнены измерения выхода К характеристического излучения Са и его угловой зависимости по мере создания в кристалле СаБг, находящемся в воздухе, микроканала последовательностью следующих с частотой 10 Гц высокоинтенсивных

1-3-1015 Вт/см2) импульсов, генерируемых фемтосекундной хром-форстеритовой лазерной системой. Выход К характеристического излучения имеет локальный максимум, соответствующий времени завершения основной фазы создания микроканала. Впервые при создании микроканала в мишени зарегистрировано К характеристическое излучение в направлении, параллельном поверхности мишени.

Научная и практическая значимость:

Применение в схеме гомодинного рефлектометра на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера нелинейного оптического поглотителя на основе одностенных УНТ позволяет дополнительно к существующей балансной схеме компенсации шумов увеличить отношение сигнал/шум рефлектометра.

Уширение третьей гармоники, возникающей в воздухе вблизи микроканала, может служить индикатором наличия плазменного облака, формируемого внутри микроканала в твердотельной мишени. Величина уширения спектра позволяет оценить концентрацию свободных электронов в плазменном облаке.

Повышение выхода характеристического излучения в процессе создания микроканала в Л мишени под действием высокоинтенсивных (1-3-10 Вг/см ) лазерных импульсов является практически важным для реализации схем эффективных источников лазерно-индуцированного рентгеновского излучения.

Защищаемые положения:

7 О поглотитель лазерного излучения 1-5-10' Вт/см . С помощью данного рефлектометра возможно измерение глубины микроканала в сплошных и структурно-неоднородных твердотельных средах с пространственным разрешением около 25 мкм.

2. Плазменное облако, возникающее при создании микроканала под действием высокоинтенсивного (1-3-1015 Вт/см2) излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в твердотельной мишени (дентин), находящейся в воздухе, приводит к уширению в голубую область спектра третьей гармоники воздействующего лазерного излучения. При этом высокотемпературная придонная плазма является источником жёстких (Е>15 кэВ) рентгеновских квантов.

3. При воздействии последовательности остросфокусированных импульсов фемтосекундного лазера (1>1015 Вт/см2) на поверхность кристалла CaF2 выход К характеристического излучения из создаваемого микроканала в мишени, находящейся в воздухе, меняется от импульса к импульсу и проходит через локальный максимум, соответствующий номеру лазерного импульса, при котором завершается основная стадия создания микроканала в мишени. Возникающее внутри микроканала вблизи поверхности твердотельной мишени плазменное облако служит распределенным источником рентгеновского излучения.

Апробация работы и новизна:

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях: 11-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2004" (Москва, Россия, 2004), 8-я международная научно-техническая конференция "Оптические Методы Исследования Потоков-2005" (Москва, Россия, 2005), 10-я международная школа для студентов и молодых учёных по оптике, лазерной физике и биофизике "Saratov Fall Meeting-2006" (Москва, Саратов, 2006), 14-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2007" (Москва, Россия, 2007), международная конференция по применению лазеров в науках о жизни "LALS-2007" (Москва, Россия, 2007), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике "ICONO/LAT 2007" (Минск, Белоруссия, 2007), международная конференция "ALT'08" (Шиофок, Венгрия, 2008), 16-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2009" (Москва, Россия, 2009), 39-я международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами "ФВЗЧК-2009" (Москва, Россия, 2009), III Всероссийская молодежная школа-семинар с международным участием "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", а также изложены в пяти авторских публикациях, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК.

Список опубликованных работ приведен в конце настоящего реферата.

Личный вклад автора

Структура и объем диссертации

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

Основные результаты работы опубликованы и будут опубликованы в:

1. В.М. Гордиенко, И.А. Макаров, В.П. Петухов, A.C. Хоменко, "Фемтосекундная лазерная плазма в микроканале кристалла CaF2 и эффективная генерация характеристического рентгеновского излучения", // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 3, 5-11, (2010).

2. V.M. Gordienko, A.S. Khomenko, I.A. Makarov, V.P. Petukhov, "Enhanced laser induced К X-rays generation during microchannel formation inside the object positioned in air", // Laser Physics, 20(4), 816-819, (2010), DPI: 10.1134/S1054660X1007008X.

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 за ценные рекомендации по интерпретации полученных экспериментальных данных. Особенно благодарю Подшивалова Алексея Алексеевича и Иванова Анатолия Александровича за помощь в юстировке и наладке хром-форстеритовой фемтосекундной лазерной системы. Я выражаю свою благодарность Бестемьянову Кириллу Петровичу и Коновалову Алексею Николаевичу за помощь в наработке бесценного опыта проведения лазерного эксперимента. Приношу свою благодарность Макарову Ивану Андреевичу за неоценимую помощью в работе с высокоинтенсивным лазерным излучением хром-форстеритового лазера, 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 микроканалов и микромодификаций в твердотельных мишенях методами атомно-силовой и фотоэлектронной микроскопий. Искреннюю признательность выражаю Петухову Владимиру Петровичу за помощь в работе и ценные замечания при исследовании лазерно-индуцированного рентгеновского излучения. Также выражаю свою признательность Кудинову Игорю Александровичу за ценные советы и помощь в отдельных вопросах микросхемотехники. Выражаю благодарность Образцовой Елене Дмитриевне и Тучину Валерию Викторовичу за предоставленные экспериментальные материалы.

Приношу свои благодарности также аспирантам Жвания Ирине Александровне, Потёмкину Фёдору Викторовичу и Голубеву Александру Павловичу, при чьем участии была проведена немалая доля экспериментальных исследований. А также я благодарю тех аспирантов и студентов, которые поддерживали в лаборатории сверхсильных световых полей состояние дружественного и в то же время ответственного отношения к проводимым исследованиям.

Заключение

1. Установлено, что использование нелинейного поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок в сочетании с балансной схемой компенсации шумов позволяет в схеме гомодинного рефлектометра, построенного на базе фемтосекундного хром-форстеритового лазера, увеличить отношение сигнал/шум системы до 5 раз при интенсивности падающего на нелинейный поглотитель лазерного излучения 1—5ТО7 Вт/см . С помощью рефлектометра измерена глубина микроканала в пластинках алюминия и дентина, которая составила около 70 и 310 мкм соответственно.

2. В процессе создания микроканала в пластинке дентина высокоинтенсивным (1~3 ■ 1015 Вт/см2) излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера зарегистрировано жёсткое рентгеновское излучение (Е>15 кэВ). В регистрируемом оптическом спектре лазерно-индуцированной плазмы наряду с характеристическими линиями однократно и двукратно ионизированных атомов Си, Сан, N11, №ь О1 и Рп наблюдается уширение в голубую область спектра третьей гармоники лазерного излучения.

3. Исследована зависимость выхода К характеристического излучения для различного типа твердотельной мишени (кристалл СаБг, дентин), находящейся в воздухе, при воздействии на ее поверхность последовательностью сфокусированных (Р=6 см), лазерных импульсов (1-3-1015 Вт/см2) от глубины создаваемого микроканала. Получено, что максимум выхода характеристического излучения приходится на 30^-50 лазерный импульс, что соответствует глубине микроканала около 60 мкм.

4. При воздействии на поверхность кристалла СаБг, находящегося в воздухе, одиночным лазерным импульсом и последовательностью импульсов (режим создания микроканала)

15 ^ определена конверсия высокоинтенсивного лазерного излучения (1~3-10 Вт/см") в К характеристическое. Эффективность преобразования лазерного излучения в К

8 7 характеристическое рентгеновское излучение возрастает с 6-10" (с поверхности) до 10" (в микроканале).

5. Получена угловая зависимость выхода К характеристического излучения из микроканала в кристалле СаБг при воздействии на него последовательностью лазерных импульсов (до 50 лазерных импульсов в серии). Наблюдаемый выход К характеристического излучения в направлении вдоль поверхности мишени может свидетельствовать о том, что плазменное облако находится вблизи поверхности мишени и является распределенным источником рентгеновского излучения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Хоменко, Антон Сергеевич, Москва

1. С.А. Ахманов, "Сверхсильные световые поля в нелинейной оптике, физике плазмы, технике рентгеновских источников", // Итоги Науки и Техники. Серия Современные Проблемы Лазерной Физики, 4, 5-18, (1991).

2. V.T. Platonenko, "High-temperature near-surface plasma produced by ultrashort laser pulses", // Laser Physics, 2(6), 852-871, (1992).

3. Б. Лютер-Дэвис, Е.Г. Гамалий, Янжи Ванг, А.В. Роде, В.Т. Тихончук, "Вещество в сверхсильном лазерном поле", // Квантовая электроника, 19(4), 317-359 (1992).

4. U. Teubner, P. Gibbon, "High-order harmonics from laser-irradiated plasma surfaces", // Reviews of Modern Physics, 81(2), 445-479, (2009).

5. П.Г. Крюков, "Лазеры ультракоротких импульсов", // Квантовая Электроника, 31(2), 95-119, (2001).

6. P. Gibbon, R. Forster, "Short-pulse laser-plasma interactions", // Plasma Physics and Controlled Fusion, 38(6), 769-794, (1996).

7. M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, S.P. Gordon and R.W. Falcone, "Ultrashort X-ray pulses", // Applied Physics B, 58(3), 261-266, (1994).

8. A.B. Андреев, B.M. Гордиенко, А.Б. Савельев-Трофимов, "Ядерные процессы в высокотемпературной плазме, индуцируемой сверхкоротким лазерным импульсом", // Квантовая Электроника, 31(11), 941-956, (2001).

9. Т. Lee, Y. Jiang, C.G. Rose-Petruck, F. Benesch, "Ultrafast tabletop laser-pump-X-ray probe measurement of solvated Fe(CN)64-", // Journal of Chemical Physics, 122(8), 084506(8), (2005).

10. В.П. Крайнов, Б.М. Смирнов, М.Б. Смирнов, "Фемтосекундное возбуждение кластерных пучков", // Успехи Физических Наук, 177(9), 953-981, (2007).

11. A. Zheltikov, "Nanoscale nonlinear optics in photonic-crystal fibres", // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 8(4), S47-S72, (2006).

12. B.M. Гордиенко, А.Б. Савельев, "Фемтосекундная плазма в плотных наноструктурированных мишенях: новые подходы и перспективы", // Успехи Физических наук, 169(1), 78-80, (1999).

13. В.П. Вейко, // "Взаимодействие лазерного излучения с веществом", М.: Физматлит, (2008).

14. Т.Е. Itina, М. Mamatkulov, М. Sentis, "Nonlinear fluence dependencies in femtosecond laser ablation of metals and dielectric materials", // Optical Engineering, 44(5), 051109(8), (2005).

15. Ch. Reich, P. Gibbon, I. Uschmann, E. Förster, "Yield optimization and time structure of femtosecond laser plasma Ka sources", // Physical Review Letters, 84(21), 4846-4849, (2000).

16. R.E. Russo, X. Mao, H. Liu, J. Gonzalez, S.S. Mao, "Laser ablation in analytical chemistry A review", Lawrence Berkeley National Laboratory, Paper LBNL-48521, October 10, (2001). http://repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-48521.

17. S. Bruneau, J Hermann, G. Dumitru, and M. Sentis, "Femtosecond ablation applied to deep-drilling of hard metals", // Proceedings of SPIE, 5448, 602-615, (2004).

18. A. Daskalova, W. Husinsky, "Ultra-short laser ablation of biological tissue", // Proceedings of SPIE, 5830, 473-478, (2005).

19. V.M. Gordienko, I. A. Zhvania, and 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).

20. T.B. Кононенко, Д.Вальтер, В.И. Конов, Ф. Даусингер, "Оптическая спектроскопия лазерной плазмы в глубоком кратере", // Квантовая Электроника, 39(4), 328-332, (2009).

21. H.R. Pakhai, R.P. Lucht, N.M. Laurendeau, "Spectral measurements of incipient plasma temperature and electron number density during laser ablation of aluminum in air", // Applied Physics B, 90(1), 15-27, (2008).

22. C.M. Климентов, T.B. Кононенко, П.А. Пивоваров, C.B. Гарнов, В.И. Конов, A.M. Прохоров, Д. Брайтлинг, Ф. Даусингер, "Роль плазмы в абляции материалов ультракороткими лазерными импульсами", // Квантовая Электроника, 31(5), 378-382, (2001).

23. М.Е. Brezinski, J.G. Fujimoto, "Optical Coherence Tomography: High-Resolution Imaging in Nontransparent Tissue", // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 5(4), 1185-1192,(1999).

24. P. Beaud, J. Schutz, W. Hödel, H.P. Weber, H.H. Gilgen, R.P. Salathe, "Optical reflectometry with micrometer resolution for the investigation of integrated optical devices", // IEEE Journal of Quantum Electronics, 25(4), 755-759, (1989).

25. J. Lademann, A. Patzelt, M. Darvin, H. Richter, С. Antoniou, W. Sterry, S. Koch, "Application of optical non-invasive methods in skin physiology", // Laser Physics Letters, 5(5), 335-346, (2008).

26. Y. Dikmelik, C. McEnnis, and J.B. Spicer, "Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy of explosives", // Proceedings of SPIE, 6217, 62172A(9), (2006).

27. M.V. Belkov, V.S. Burakov, V.V. Kiris, S.N. Raikov, "Calibration-free laser-induced plasma spectrometry for direct analysis of solid and liquid materials", // Proceedings of SPIE, 6733, 673307(10), (2007).

28. F. Miroiu, I.N. Mihailescu, J. Hermann, M. Sentis, "Spectroscopic analyses during femtosecond laser ablation of hydroxyapatite", // Proceedings of SPIE, 5581, 479-485, (2004).

29. D.J. Hwang, H. Jeon, C.P. Grigoropoulos, J. Yoo, R.E. Russo, "Femtosecond laser ablation induced plasma characteristics from submicron craters in thin metal film", // Applied Physics Letters, 91(25), 251118(3), (2007).

30. M.H. Niemz, "Investigation and spectral analysis of the plasma-induced ablation mechanism of dental hydroxyapatite", // Applied Physics B, 58(4), 273-281, (1994).34. http://nist.gov/

31. I. Suciu, E.A. Preoteasa, D. Gurban, E. Ionescu, D. Bodnar, "Potential of PIXE for the elemental analysis of calcium hydroxide used in dentistry", // Romanian Reports in Physics, 58(4), 569-582, (2006).

32. M.D. Rosen, "Scaling laws for femtosecond laser plasma interactions", // Proceedings of SPIE, 1229, 160-169, (1990).

33. C.G. Serbanescu, J.A. Chakera, R. Fedosejevs, "Efficient Ka X-ray source from submillijoule femtosecond laser pulses operated at kilohertz repetition rate", // Review of Scientific Instruments, 78(10), 103502(6), (2007).

34. N. Zhavoronkov, Y. Gritsai, М. Bargheer, М. Woerner, Т. Elsaesser, "Generation of ultrashort К« radiation from quasipoint interaction area of femtosecond pulses with thin foils", // Applied Physics Letters, 86(24), 244107(3), (2005).

35. J. Yu, Z. Jiang, J.C. Kieffer, A. Krol, "Plard X-ray emission in high intensity femtosecond laser-target interaction", // Physics of Plasmas, 6(4), 1318-1322, (1999).

36. JI. Спитцер, // "Физика полностью ионизованного газа", М. Мир, (1965).

37. S.A. Gavrilov, D.M. Golishnikov, V.M. Gordienko, А.В. Savel'ev, and R.V. Volkov, "Efficient hard X-ray source using femtosecond plasma at solid targets with a modified surface", // Laser and Particle Beams, 22(3), 301-306, (2004).

38. T. Engers, W. Fendel, H. Schuller, H. Schultz, D. von der Linde, "Second-harmonic generation in plasmas produced by femtosecond laser pulses", // Physical Review A, 43(8), 4564-4567,(1991).

39. S.G. Bezhanov, A.P. Kanavin, and S.A. Uryupin, "Third harmonic generation by hot electrons in metals", // Journal of Russian Laser Research, 29(3), 219-226, (2008).

40. G. Ferrante, M. Zarcone, S.A. Uryupin, "Third-harmonic generation in the skin layer of a hot dense plasma", // Physical Review E, 70(1), 016403(9), (2004).

41. H. Yang, J. Zhang, J. Zhang, L.Z. Zhao, Y.J. Li, H. Teng, Y.T. Li, Z.H. Wang, Z.L. Chen, Z.Y. Wei, J.X. Ma, W. Yu, Z.M. Sheng, "Third-order harmonic generation by self-guided femtosecond pulses in air", // Physical Review E, 67(1), 015401(3), (2003).

42. A.B. Fedotov, N.I. Koroteev, M.M.T. Loy, X. Xiao, A.M. Zheltikov, "Saturation of third-harmonic generation in a plasma of self-induced optical breakdown due to the self-action of 90-fs light pulses", // Optics Communications, 133(1-6), 587-595, (1997).

43. C.-J. Zhu, Y.-D. Qin, II. Yang, S.-F. Wang, Q.-H. Gong, "Third-order harmonic generation in atmospheric air with focused intense femtosecond laser pulses", // Chinese Physics Letters, 18(1), 57-59, (2001).

44. L. Labate, M. Galimberti, A. Giulietti, D. Giulietti, P. Koster, P. Tomassini, L.A. Gizzi, "Study of forward accelerated fast electrons in ultrashort Ti Ka sources", // Applied Physics B, 86(2), 229-233, (2007).

45. M.A. Блохин, // "Физика рентгеновских лучей", Москва, (1957).

46. F.Y. Khattak, E.G. Saiz, Т. Dzelzainis, D. Riley, Z. Zhai, "Scale-length optimizing of short pulse Cu Ka laser-plasma sources", // Applied Physics Letters, 90(8), 081502(3), (2007).

47. D. Batani, // "Laser ablation and laser induced plasmas for nanomachining and material analysis", Springer Netherlands, 145-168, (2008).

48. R. Hergenroder, O. Samek, V. Hommes, "Femtosecond laser ablation elemental mass spectrometry", // Mass Spectrometry Reviews, 25(4), 551-572, (2006).

49. G.B. Altshuler, N.R. Belashenkov, G.A. Martsinovski, A.A. Solounin, "Nonlinear transmission and second harmonic generation in dentin in the field of ultrashort Nd-laser pulses", // Proceedings of SPIE, 1984, 6-10, (1995).

50. R. Elbaum, E. Tal, A. Perets, D. Oron, D. Ziskind, Y. Silberberg, H. Wagner, "Dentin micro-architecture using harmonic generation microscopy", // Journal of Dentistry, 35(2), 150-155, (2007).

51. S.-Y. Chen, C.-Y.S. Hsu, and C.-K. Sun, "Epi-third and second harmonic generation microscopic imaging of abnormal enamel", // Optics Express, 16(15), 11670-11679, (2008).

52. F.-J. Kao, Y.-S. Wang, M.-K. Huang, S.-L. Huang, P.C. Cheng, "Second-harmonic generation microscopy of tooth", // Proceedings of SPIE, 4082, 119-124, (2000).

53. Y. Jiang, I.V. Tomov, Y. Wang, Zh. Chen, "High-resolution second harmonic optical coherence tomography", // Proceedings of SPIE, 5690, 195-200, (2005).

54. J.Z. Sanborn, C. Hellings, T.D. Donnelly, "Breakdown of the slowly-varying-amplitude approximation: generation of backward-traveling, second-harmonic light", // Journal of the Optical Society of America В: Optical Physics, 20(1), 152-157, (2003).

55. G.C. Cox, P. Xu, C.J.R. Sheppard, J.A. Ramshaw, "Characterization of the second harmonic signal from collagen", // Proceedings of SPIE, 4963, 32-40, (2003).

56. S. Yazdanfar, L.H. Laiho, P.T.C. So, "Interferometric second harmonic generation microscopy", // Optics Express, 12(12), 2739-2745, (2004).

57. D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, W.G. Stinson, W. Chang, M.R. Нее, Т. Flotte, К. Gregory, C.A. Puliafito, J.G. Fujimoto, "Optical coherence tomography", // Science, 254, 1178-1181, (1991).

58. Y. Sakakibara, S. Tatsuura, H. Kataura, M. Tokumoto, Y. Achiba, "Near-infrared saturable absorption of single-wall carbon nanotubes prepared by laser ablation method", // Japanese Journal of Applied Physics Part 2, 42(5 A), L494-L496, (2003).

59. C. Voisin, J-S. Lauret, C. Cassabois, Ph. Roussignol, and C. Delalande, "Femtosecond investigation of carbon nanotubes", // Proceedings of SPIE, 5352, 1-7, (2004).

60. H.H. Ильичев, Е.Д. Образцова, П.П. Пашинин, В.И. Конов, С.В. Гарнов, "Самосинхронизация мод с помощью пассивного затвора на основе одностенных углеродных трубок в лазере на кристалле LiF: F2", // Квантовая Электроника, 34(9), 785-786, (2004).

61. M.A. Solodyankin, E.D. Obraztsova, A.S. Lobach, A.I. Chernov, A.V. Tausenev, V.I. Konov, E.M. Dianov, "Mode-locked 1.93 pm thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber", // Optics Letters, 33(12), 1336-1338, (2008).

62. S.Y. Set, H. Yaguchi, Y. Tanaka, and M. Jablonski, "Laser mode locking using a saturable absorber incorporating carbon nanotubes", // Journal of Lightwave Technology, 22(1), 51-56, (2004).

63. S.M. Bachilo, M.S. Strano, C. Kittrell, R.H. Hauge, R.E. Smalley, R.B. Weisman, "Structure-assigned optical spectra of single-walled carbon nanotubes", // Science, 298(20), 23612366, (2002).

64. R. Paschotta, // "Encyclopedia of laser physics and technology", Wiley-VCH, (2008).

65. P.C. Stoller, B.-M. Kim, A.M. Rubenchik, K.M. Reiser, and L.B. Da Silva, "Measurement of the second-order nonlinear susceptibility of collagen using polarization modulation and phasesensitive detection", Proceedings of SPIE, 4276, 11-16, (2001).

66. P. Vöhringer, G. Haran, "Optical spectroscopy of biomolecular dynamics", // ChemPhysChem, 5(9), 1311-1313, (2004).

67. A. Amelink, J. Aerts, M. Bard, D. de Veld, M. Skurichina, R. van Veen, B. Duin, M. Witjes, Ii. Hoogsteeden, Ii. Sterenborg, "Optical spectroscopy for early detection of lung tumours", // Fotonica Magazine, Special Edition, 13-15, (2004).

68. B. Yu, E.S. Burnside, G.A. Sisney, J.M. Harter, C. Zhu, A.-H. Dhalla, N. Ramanujam, "Feasibility of near-infrared diffuse optical spectroscopy on patients undergoing imageguided core-needle biopsy", // Optics Express, 15(12), 7335-7350, (2007).

69. J. Carlsson, P. Hellentin, L. Malmqvist, A. Persson, W. Persson, and C-G. Wahlstrom, "Time-resolved studies of light propagation in paper", // Applied Optics, 34(9), 1528-1535, (1995).

70. R.C. Schwartz, R.L. Baumhardt, and S.R. Evett, "Monitoring tillage effects on soil water dynamics using automated time-domain reflectometry", // Southern Conservation Systems Conference, Amarillo TX, 284, June 26-28 2006.

71. R. Becker, S. Schlaeger, "Spatial time domain reflectometry with rod probes", // 6th I SEM A Conference, Weimar, (2005).

72. V. Dobrincu, S.B. Balmus, G.N. Pascariu, D.D. Sandu, "Characterization of dielectric mixtures by the time domain reflectometry (tdr)", // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 8(3), 956-961, (2006).

73. A. Hartschuh, H.N. Pedrosa, J. Peterson, L. Huang, P. Anger, PI. Qian, A.J. Meixner, M. Steiner, L. Novotny, T.D. Krauss, "Single carbon nanotube optical spectroscopy", // ChemPhysChem, 6(4), 577-582, (2005).

74. Д.А. Зимняков, П.В. Захаров, В.А. Трифонов, О.И. Чанилов, "Исследование эволюции границы раздела фаз в пористых средах с использованием динамического рассеяния света", // Письма в ЖЭТФ, 74(4), 237-243, (2001).

75. Е. Федер, // "Фракталы", М.: Мир, 108-150, (1990).97. "Фракталы в физике", под редакцией JI. Пьетронеро и Э. Тозатти, // Москва, издательство "Мир", 189-195, (1988).

76. Т. М. Shaw, "Drying as an immiscible displacement process with fluid counterflow", // Physical Review Letters, 59(15), 1671-1674, (1987).

77. V.V. Tuchin, // "Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis", Society of Photo Optical, (2007).

78. B.M. Гордиенко, A.A. Иванов, A.A. Подшивалов, В.И. Прялкин, "ГВГ излучения фемтосекундного лазера на хром-форстерите в режиме группового синхронизма взаимодействующих волн", // Квантовая Электроника, 31(5), 391-392, (2001).

79. X. Liu, L. Qian, F.W. Wise, "Efficient generation of 50-fs red pulses by frequency doubling in LiB305", // Optics Communications, 144(4-6), 265-268, (1997).

80. S.M. Saltiel, K. Koynov, B. Agate, W. Sibbett, "Second-harmonic generation with focused beams under conditions of large group-velocity mismatch", // Journal of the Optical Society of America B, 21(3), 591-598, (2004).

81. Ф. Цернике, Дж. Мидвинтер, "Прикладная нелинейная оптика", // Москва, изд. "Мир", 134, (1976).

82. Дж. Рэди, "Действие мощного лазерного излучения", // Москва, "Мир", (1974).

83. V.M. Gordienko, K.P. Bestemyanov, A.S. Khomenko, A.N. Konovalov, A.A. Podshivalov, "Femtosecond time-resolved reflectometry for study micro and nanostructured strongly scattering material", // Proceedings of SPIE, 5850, 136-145, (2004).

84. I.M. Bayanov, V.M. Gordienko, M.S. Djidjoev, V.A. Dyakov, S.A. Magnitskii, V.l. Pryalkin, A.P. Tarasevitch, "Parametric generation of high peak power femtosecond light pulses in LBO crystal", // Proceedings of SPIE, 1800, 2-16, (1991).

85. Физические Величины, справочник под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, (1991).

86. Химическая энциклопедия, Т. 5, под редакцией И.Л. Кнунянца, Москва, Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», (1998).

87. V.M. Gordienko, A.S. Khomenko, V.l. Konov, A.S. Lobach, E.D. Obraztsova, "Femtosecond reflectometer with saturable absorber based on single-walled carbon nanotubes", // Laser Physics Letters, 6(2), 145-148, (2008).

88. V.M. Gordienko, A.A. Ivanov, A.A. Podshivalov, E.V. Rakov, A.B. Savelcv, "Generation of superintense femtosecond pulses by the Cr:forsterite laser system", // Laser Physics, 16(3), 427435, (2006).

89. F. Dausinger, "Femtosecond technology for precision manufacturing: fundamental and technical aspects", // RIKEN Review, 50, 77-82, (2003).

90. R.A. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, H. Kuroda, I.A. Kulagin, "Third-harmonic generation in air by use of femtosecond radiation in tight-focusing conditions", // Applied Optics, 45(4), 748755, (2006).

91. A.B. Fedotov, A.N. Naumov, V.P. Silin, S.A. Uryupin, A.M. Zheltikov, A.P. Tarasevitch, D. von der Linde, "Third-harmonic generation in a laser-pre-excited gas: the role of excited-state neutrals", // Physics Letters A, 271(5-6), 407-412, (2000).

92. F. Théberge, W. Liu, P.Tr. Simard, A. Becker, and S.L. Chin, "Plasma density inside a femtosecond laser filament in air: Strong dependence on external focusing", // Physical Review E, 74(3), 036406(7), (2006).

93. J.R. Vazquez de Aldana, C. M'endez, L. Roso, "Saturation of ablation channels micro-machined in fused silica with many femtosecond laser pulses", // Optics Express, 14(3), 1329-1338, (2006).

94. М.Б.Агранат, В.П.Кандидов, П.С.Комаров, А.В.Овчинников, В.Ю.Федоров, "Филаментация фемтосекундного излучения хром-форстеритового лазера в воздухе", // Квантовая Электроника, 39(6), 552-559, (2009).

95. В.М. Гордиенко, В.Т. Платоненко, А.Ф. Стержантов, "Самовоздействие мощного десятимикронного лазерного излучения в газовых средах: управление длительностью импульса и генерация горячих электронов", // Квантовая Электроника, 39(7), 663-668, (2009).

96. А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, С.В. Макаров, JI.B. Селезнев, Д.В. Синицын, "Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе", // Письма в ЖЭТФ, 90(6), 467-472, (2009).

97. С.Т. Hansen, S.C. Wilks, Р.Е. Young, "Spectral evidence for collisionless absorption in subpicosecond laser-solid interactions", // Physical Review Letters, 83(24), 5019-5022, (1999).

98. Г.В. Павлинский, "Основы физики рентгеновского излучения", // М.: Физматлит, (2007).125. http://xdb.lbl.gov/

99. P.P. Rajeev, A.S. Sandhu, G.R. Kumar, "Roughness enhanced К X-ray emission from femtosecond laser produced copper plasmas", (2001), http://arxiv.org/abs/phvsics/0107022vl

100. M.B. Agranat, N.E. Andreev, S.I. Ashitkov, E. Boyle, V.E. Fortov, L.V. Knight, A.V. Ovchinnikov, A.P. Shevelko, and D.S. Sitnikov, "Generation of hard x-rays by a forsterite terawatt laser", // Proceedings of SPIE, 5918, 591800(9), (2005).

101. V.M. Gordienko, I.A. Makarov, A.S. Khomenko, M.A. Timofeev, V.V. Tuchin, "Microspectral analysis of dentine with femtosecond laser induced plasma", // Laser Physics, 19(6), 1288-1293, (2009).

102. H.-S. Park, D.M. Chambers, H.-K. Chung, R.J. Clarke, R. Eagleton, E. Giraldez, T. Goldsack, R. Heathcote, N. Izumi, M.H. Key, J.A. King, J.A. Koch, O.L. Landen, A. Nikroo, P.K.

103. S. Fourmaux, C. Serbanescu, R.E. Kincaid Jr., A. Krol, and J.C. Kieffer, "Ka X-ray emission characterization of 100 Hz, 15 mJ femtosecond laser system with high contrast ratio", // Applied Physics B: Lasers and Optics, 94(4), 569-575, (2009).

104. K.-H. Liao, A.G. Mordovanakis, B. Hou, G. Chang, M. Rever, G.A. Mourou, J. Nees, and A. Galvanauskas, "Generation of hard X-rays using an ultrafast fiber laser system", // Optics Express, 15(21), 13942-13948, (2007).

105. B. Hou, J. Easter, K. Krushelnick, J.A. Nees, "Generation of hard x rays by femtosecond laser pulse interaction with Cu in laminar helium flow in ambient air", // Applied Physics Letters, 92(16), 161501(3), (2008).

106. A.M. Акишин, // "Космическое материаловедение", M.: НИИЯФ МГУ, (2007).

107. А.Е.Дормидонов, В.П.Кандидов, В.О.Компанец, С.В.Чекалин, "Дискретные кольца конической эмиссии при филаментации фемгосекундного лазерного импульса в кварце", // Квантовая Электроника, 39(7), 653-657, (2009).

108. V. Mizeikis, S. Juodkazis, T. Balciunas, H. Misawa, S.I. Kudryashov, V.D. Zvorykin, and A.A. Ionin, "Optical and ultrasonic signatures of femtosecond pulse filamentation in fused silica", // Journal of Applied Physics, 105(12), 123106(9), (2009).

109. B.B. Букин, C.B. Гарнов, A.A. Малютин, B.B. Стрелков, "Фемтосекундная лазерная микроплазма оптического пробоя газов: динамика процессов ионизации и постионизации", // Квантовая Электроника, 37(10), 961-966, (2007).

110. G.A. Torchia, С. Mendez, L. Roso, J.O. Tocho, "Optical spectroscopy in channel waveguides made in Nd:YAG crystals by femtosecond laser writing", // Journal of Luminescence 128(5-6), 754-756, (2008).

111. S.M. Avanesyan, S. Orlando, S.C. Langford, J.T. Dickinson, "Generation of color centers by femtosecond laser pulses in wide band gap materials", // Prooceedings of SPIE, 5352, 169-179, (2004).

112. L.C. Courrol, R.E. Samad, L. Gomes, I. M. Ranieri, S.L. Baldochi, A.Z. Freitas, S.P. Morato, and N.D. Vieira Jr., "Color center production by femtosecond-pulse laser irradiation in fluoride crystals", // Laser Physics, 16(2), 331-335, (2006).

113. Ю.М. Михайлова, B.T. Платоненко, Ц. Чжэн, "Однофокусный режим распространения фемтосекундных световых пакетов при их самофокусировке в конденсированной среде", // ЖЭТФ, 135(2), 211-226, (2009).

114. F. Dausinger, "Machining of metals with ultrashort laser pulses: from fundamental investigations to industrial applications", // Proceedings of SPIE, 5777, 840-845, (2005).

115. S. Noel and J. Hermann, "Influence of irradiation conditions on plume expansion induced by femtosecond laser ablation of gold and copper", // Proceedings of SPIE, 6785, 67850F(8), (2007).