Генерация высших оптических гармоник и комбинационных частот пикосекундного лазерного излучения в лазерно-индуцированной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

московский государственный университет

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621,373:535

ФЕДОТОВ АНДРЕИ БОРИСОВИЧ

ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСШИХ ОПТИЧЕСКИХ ГАРМОНИК И КОМБИНАЦИОННЫХ ЧАСТОТ ПИКОСЕКУНДКОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОИ ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва- 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Интерес к исследованию и использованию нелинейно-оптических свойств лазерной плазма, с электроннной плотностью существенно меньше критической - N^1017 И О19 см"3, электронной температурой Те^1+20 зВ, создаваемой на поверхности металлической мишени источниками умеренной мощности, связан с рядом причин. Во-первых, как показывают теоретичекие и экспериментальные исследования по генерации оптических гармоник высокого порядка и многофотонной ионизации в газах, особого внимания заслуживает исследование проявлений нелинейно-оптических свойств таких сред при воздействии интенсивных световых полей. Во-вторых, исследование лазерной плазмы с электронной плотностью и температурой, существенно более низкими, чем в плазме, созданной в условиях близких к экспериментам по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС), показывает, что вследствие проявления сильной оптической нелинейности лазерной плазмы процессы нерезонансного преобразования частоты оптического излучения» в частности, генерация гармоник, имеют высокую эффективность.

Создание эффективных источников лазерного излучения в коротковолновой области спектра является одной из актуальных задач современной лазерной физики. Мощность рентгеновского излучения, получаемая при генерации высших оптических гармоник в струях инертных газов достигает десяток и сотен мегаватт. С другой стороны, лазерная плазма оказывается перспективным и малоисследованным объектом, в котором возможно осуществление преобразования частот с высокой эффективностью. К достоинствам

разлета лазерной плазмы, созданной на поверхности различных металлических мишеней, а также проанализировать условия фазового согласования в возбужденной газовой среде.

V

Научная новизна

1. Впервые проведены эксперименты по генерации высших оптических гармоник (вплоть до девятой) пикосекундного излучения М:УАС лазера в плазме оптического пробоя, создаваемого независимым наносекундным лазерным источником.

2. Решение задачи синхронизации пикосекундной зондирующей системы с наносекундной системой создания плазмы путем создания задающего генератора шкосекундных импульсов с отрицательной обратной связью, позволило определить времена задержка между возбуждением и зондированием плазмы, оптимальные для преобразования в оптические гармоники, как в условиях вакуума, так и при атмосферном давлении.

3. Исследована возможность получения коротковолнового излучения методом генерации излучения суммарной частоты. Для этой цели использовалось излучение на частоте №:7АС лазера и излучение его второй гармоники. Использование процессов смешения частот пикосекундного излучения в лазерной плазме, идущих на нелинейностях третьего порядка, позволило повысить эффективность преобразования в излучение на частоте пятой гармоники, а также исследовать генерацию на частоте четвертой гармоники №:УАС лазера.

4. Проведено экспериментальное исследование условий фазового согласования при генерации излучения на частотах третьей и пятой гармоник лазера. Получена зависимость интенсивности ультрафиолетового излучения на частоте пятой и третьей гармоник

зависимость эффективности преобразования в излучение на частотах оптических гармоник от энергии зондирующего излучения в условиях оптического пробоя, создаваемого независимым источником.

2. Проведено экспериментальное исследование процессов смешения частот в плазме оптического пробоя. Исследованы зависимости интенсивности сигнала на частотах третьей, четвертой и пятой гармоник от времени задержки между созданием и зондированием плазмы в случае двухчастотной накачки.

3. Проведены экспериментальное исследование и теоретический анализ условий фазового согласования при генерации третьей и пятой гармоник в лазерной плазме. Определена оптимальная геометрия фокусировки зондирующего излучения в плазменный сгусток.

4. Проведено численное моделирование процесса образования и разлета плазмы оптического пробоя. Предложено в качестве средства, управляющего термодинамическими параметрами лазерной плазмы использовать постоянное магнитное поле.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались на следующих конференциях в семинарах:

1. XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике. (Ленинград, 1991 г.),

2. XII Европейский семинар по КАРС (Виллиген, Швейцария, 1993 г.).

3. VII Международная конференция "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, 1993 г.).

Основные результаты диссертации изложены в 7 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

механизмы нелинейности в данных условиях, в основном, связываются с действием на электроны силы Лоренца, градиентами скорости и плотности электронов, а таете "столкнрвительной" нелинейностью.

В § 1.3. проводится обзор экспериментальных исследований генерации оптических гармоник высоких порядков в струях инертных газов при плотностях частиц порядка ÎQ^+IO18 см-3 в сверхсильных ( I - lO^+lO16 Вт/см2) световых полях. При теоретическом анализе эффекта генерации гармоник в данных условиях оказывается непременимой "обычная" теория возмущений, в рамках которой нелинейная восприимчивость записывается в виде разложения в ряд по степеням поля. Более адекватным представляется подход, основанный на численном решении нестационарного уравнения Шредингера для электрона в модельном потенциале в присутствии сильного светового поля. Приводится простое эмпирическое правило, дающее предельный номер гармоники, который может быть получен при воздействии на атом излучения с определенной частотой и интенсивностью.

В $ 1.4. обсуждаются результаты экспериментальных исследований генерации третьей гармоники в возбужденных газах и плазме с параметрами (Nes:1017+1019 см-3, Тей1*20 эВ) далекими от условий реализуемых в экспериментах по ЛТС. Показано, что эффективность нелинейных процессов нерезонансного четырехфотонного рассеяния света, в частности генерация третьей гармонии, повышается в условиях возбуждения среды. Такое повышение эффективности связывается с нелинейностью среда, возникающей при заселении возбужденных электронных состояний атомов и ионов. Показано, что к. п. д. преобразования в третью гармонику пикосекундного излучения Nd:YAG лазера в плазме оптического пробоя, созданного независимым источником умеренной мощности, может достигать нескольких процентов.

области спектра на основе вакуумного монохроматора нормального падения ВМР-2 со сферической дифракционной решёткой (600 штрихов/мм). На входную щель монохроматора исследуемое излучение подается плоским и вогнутым алюминиевыми зеркалами с защитным покрытием из Регистрация осуществляется двумя типами

детекторов: "солнечнослепнм" ФЭУ-142 и ФЭУ-39 с люминесцентным экраном, покрытым тонким слоем салициллата натрия. Описывается созданная автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных на основе персонального компьютера.

В § 2.4. описана методика приготовления лазерной плазмы на поверхности различных металлических мишеней. Лазерная система возбуждения плазмы создана на основе Ий'ЛАй лазера, работающего в режиме модуляции добротности, интенсивность излучения на поверхности мишени не превышает 1=1О9 Вт/см2. Описано устройство синхронизации, обеспечивающее временную синхронизацию зондирующей системы с системами возбуждения и регистрации. Временная привязка наносекундного и пикосекундного источников достигается синхронизацией управления модуляции добротности наносекундного генератора со схемой отключения 00С пикосекундного генератора. Было проведено исследование нестабильности генерации третьей гармоники, возникающей из-за изменения параметров лазерной плазмы в процессе воздействия наносекундного излучения на фиксированное место поверхности.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию эффекта генерации высших оптических гармоник в плазме оптического пробоя. Рассматриваются особенности экспериментальных схем в случаях исследования генерации гармоник и процессов суммирования частот оптических излучений. Проводится численное моделирование процесса образования и разлета лазерной плазмы.

- И -

3 4 5 6 7 8 9

НОМЕР ГАРМОНИКИ

Рис.1. Диаграмма эффективности генерации оптических гармоник (темные столбцы) и излучения суммарной частоты (светлые стобцы).

Е, 9.1. в.8

0.6

8.4

8.2

7,икс

Е, О.Е. 8.8

8.6

8.4

8.2

Т,ИКС

Рис.2. Зависимость интенсивности оптических гармоник от времени задержки между моментами создания и зондирования плазмы: а) третья, пятая и седьмая гармоники в условиях вакуума для плазмы оптического пробоя, созданного на поверхности индиевой мишени; б) пятая гармоника в условиях атмосферного давления для индиевой, свинцовой и алюминиевой мишеней.

8.85 8.18 8.15 8.28 8.25 8.38 8.35 8.48 8.45

1.8 2.8 3.8 4.8 5.8 6.8 7.8 8.8 9.8

- 15 -

управления условиями фазового согласования.

В § 4,2. приведены результаты экспериментальных исследований условий фазового согласования в плазме оптического пробоя. Показано, что при уменьшении конфокального параметра интенсивность третьей и пятой гармоник увеличивается. Было найдено, что при изменении геометрии фокусировки зондирующего излучения (фокус сферической линзы двигается вдоль оси плазменного сгустка длиной Ь=8 мм), имеется ассиметрия относительно центра плазмы. При смещении фокуса линзы ближе к выходной границе плазмы мощность пятой гармоники возрастает в несколько раз, что связано с наличием сильного поглощения излучения на частоте гармоники. Проведенные исследования при различных давлениях среды показывают, что поглощение имеет место в основном на возбужденных элементах воздуха.

В § 4.3, проведены численный анализ условий фазового согласования в лазерной плазме. Показано, что при учете вклада в дисперсию среды только свободных электронов наиболее эффективной оказывается фокусировка излучения на край среда. Проводится вычисление интеграла фазового синхронизма в процессе разлета плазменного сгустка. Обсуждаются условия при которых, для более точного описания услловий фазового синхронизма необходимо учитывать вклад в диэлектрическую проницаемость связанных состояний атомов и ионов, а также неоднородность среды.

В § 4.4, рассматриваются возможные методы управления разлетом лазерной плазмы. В качестве средства воздействия на лазерную плазму предложено использовать магнитное поле. На основании численного решения уравнений магнитной гидродинамики проведен расчет термодинамических парметров плазменного сгустка при его разлете в постоянное магнитное поле. Показано, что на поздних

также генерация третьей гармоники излучения с длиной волны Х=0.532 мкм. Показано, что оптимальные условия для генерации гармоник с высокими номерами существуют на более на ранних стадиях разлета лазерной плазмы. Обнаружено, что процесс генерации гармоник имеет существенно различный характер в условиях расширения плазмы в воздух и в вакуум.

3. Проведено моделирование процессов образования и разлета лазерной плазмы, созданной на поверхности различных металлических мишеней. Показано, что механизм рассеяния электрона на ионе в присутствии сильного поля не противоречит экспериментально измеренным закономерностям генерации оптических гармоник в плазме. Предложено использовать постоянное магнитное поле как метод управления термодинамическими параметрами разлетающейся лазерной плазмы с целью выбора оптимальных условий генерации гармоник.

4. Экспериментально исследованы процессы смешения частот пикосекундного излучения в плазме оптического пробоя. Показано, что при использовании двухчастотной накачки, возможно осуществление эффективного преобразования излучения на нелинейностях более низкого порядка, чем в случае прямой генерации оптических гармоник. Этим способом удалось повысить мощность излучения на частоте пятой гармоники более чем на порядок, а также наблюдать эффективную генерацию на частоте четвертой гармоники. Были найдены оптимальные времена задержки между наносекундным импульсом, создающим плазму, и зондирующим шкосекундным импульсом, при которых генерация излучения на суммарных частотах наиболее эффективна, для различных материалов мишени и давлений окружающего газа.

5. Проведено исследование условий фазового согласования при генерации оптических гармоник в плазме оптического пробоя.

т.1800, Superintense laser fields: generation, Interaction with matter, and X-ray sources. 1991. Eds. Gaponov 5.V. and Gordienko V.M., p.28-47.

6. Fedotov А.В., Koroteev N.I., Zheltikov A.M. Coherent short-wavelength radiation production via harmonic generation in laser-produced plasma. // Proc. XII European CARS Workshop, Villigen, Switzerland, 1993, p.P13.

7. Желтяков A.M., Коротеев Н.И., Федотов А.Б. Генерация оптических гармоник и излучение суммарной частоты в низкотемпературной плазме оптического пробоя. // Тезисы докл. VII Международной конференции "Оптика лазеров", Санкт-Петербург, 1993, т.2, с.332.