Исследование электронных процессов в приповерхностном слое металла в поле лазерного импульса методом нестационарного квантования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН НПО «АКАДЕМПРИБОР»

г О 'I

' 4 и й На правах рукописи

1 о \::ул '^ь

УДК 533.93,537.533.2,537.534.1, 535.376

ЛУГОВСКОЙ Андрей Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МЕТАЛЛА В ПОЛЕ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО КВАНТОВАНИЯ

(Специальность 01.04.04—Физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент 1996

Работа выполнена в НПО «Академнрибор» АН РУз.

Научные руководители — профессор, доктор физико-математических наук Усманов Т., кандидат физико-Математических наук, старший научный сотрудник Зиновьев А. В.

Официальные оппоненты — профессор, доктор физико-

математических наук Пугачева Т. С.

кандидат физико-математических наук Войцеховский И. А.

Ведущая организация — Ташкентский Государственный

Университет

' Защита диссертации состоится «_

1996 г. в __ часов на заседании Специализированного

Совета Д.015.23.01. по специальности 01.04.04. (физическая электроника) при Институте электроники им. У. А. Арифова АН РУз по адресу: 700143, г. Ташкент, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электроники им. У. А. Арифова АН РУз.

Автореферат разослан «.

.» ¿¿¿Ое^^_1996 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета профессор

Н. ХАМИДОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современные иозможности лазерной техники позволяют получать когерентно« излучение в широкой диапазоне спектра с пиковой интенсивностью до Ю20 Вт/см2 и с минимальной длительностью импульса порядка нескольких фсмтосехунд, что сравнимо с характерными временами протекания химически* и релаксационных процессов на поверхности. Это позволяет рассматривать лазерные методы анализа и модификации поверхности как одни из самых перспектнвнь с.

В маспящсй время активно Исследуется такие важные задачи физики поверхности как Даэерно-стНмуллировьннаЯ матричная дессорбцня, создания ярких <уб-фемтосекуидцых сильноточных импульсных нсточникоа электронных пучкея иа основе фотоэмнссии, физика и химия лазерной плазмы, лазерно-стнмулнрованные химические реакции на поверхности и многие другие.

' Наметившийся вкспериментальный подъем в втои области контрастирует 'с дефицитом •. концептуальных подходов, и пользуемых для объяснения указанных проблем. Традиционное предсТа! л лаге о чисто тепловом воздействии электромагнитного излучения На металлы [1] о данных условиях требует значительных уточнении и, по Крайней мере, не может быть принято а рпеп. В »той связи укажем на ряд явлений, таких как вмнссия фотоэлектронов с екергиями порядка нескольких сотен вВ [2], процессы сформирования мпогоззрздкых коноа о сверхплотной лазерной плазме [3],'л-чишнесценция игталдоэ [4], не ««иедшях пола Теоретического объяснения. Все втЬ говорит о необходимости прсведешш дошшмгельных фундаментальная исследований прсцессси, протекающих при лазерном возбуждении кондаисированиых сред.

llzM, рабетъ?

1. Теоретическое исследование процессов формирования нерааиооесгапз состояния влектронной подсистемы металла в поле ультракоро-шого лазерного импульса.

2. Обобгдение метода вторичного квантсаания для описания существенно нестационарных систем. " .

3. Описание различных эмиссионных процессов (электронная омисснг., ионная »миссия, "горячая" люминесценция, нелк^ешю-опткчсскнл отклик) в условиях нерапнопесности влектронной подсясч '¡..и.

Нариш ноЕКлна

1. Впервые предложен метод нестационарного вторичною квантмшмм, представляющий собой удобную процедуру получения кинетически;; уравненнй для кзантосых систем, подвергаемых воадейстьию сильных нестационарных полей.

¿. Bnepauí получено аиадлтическог решение кваитояого кинетического уравнения для электронного газа металла в поле ультракороткого лазерного импульса с учетом кяу. процессов дискретного ггаглощ««гг анергьи поля, так i¡ внергетичгскон н температурной вввисимости частот 8лектрон-влектро1шых н влектрон-фснонг.ых столкнооскнн.

3. Развита феноменологическая модель процесса ионизации дссорои-русмсго с металлической поверхности вгома в присутствии нерезонанснои влектромагнитной волны. Впервые теоретически показан® возможность значительного попиигелнл степени поверхностной ионизации при нерезонанснои лазерном eos действии й также частотой.": селективность данного процесса.

4. С помощью метода нестационарного вторичного квантования »первый построена квантовая теория лазерно-стимулнрованной поверхностной

<юш1»ацни одяоуроалсго атома. Похаэгно, что по зависимостям ионного тока от параметров излучения и в^ергетнческнм характеристикам падающего на поверхность потока мояо.-о получать информацию о зависимости положения внергетичеекмх уровней атомарной системы от расстояния мегзду атомом и поверхностью, функции распределения элеотроноэ металла ¡: характерных премснях релаксации в рлектроннсм подсистеме.

5. На основе развитого кинетического оппсашм электронного газа гт.чллл 18 электромагнитном поле аналитически выведено выражение для полного фотоэмиссиотюго токэ, согласующиеся с. аналогичным выражением с феломеЛологя'-.еской теории Фаулера-Д!обриджа. В разиках теории объемного фотоэффекта найдено объяснение частотной зависимости коэффициента нелинейности омлссиолпого тока.

6. "Впервые исследуется свечение •(.тг.тлз, обусловленное Енутризоннымн радиационными переходами неравновесно возбу^-дегемх электронсв металла. Показано, что спектр свечения отличен рт планковского. В спектре присутствует периодическая составляющая с периодом внешнего поля.

Научная и практическая ценность работы

В датой работа показано, что ряд задач физики металлов в элеэтромапштнои поле может быть решен точно или с привлечением простых модельных соображении. Это позволяет использовать данные .©ешеняя в качеств модельных при рассмотраот более сложных проблем взаимодействия олектромагтгпюго налучешет с твердотельными средам».

Развиткч в работе метод нестационарного вторичного Квантования может быта испольэсваи для решения фундаментальных задач физики

мноповлектрсишых систем, подвергаемых внешнему периодическому воздействию.

Исследования нелинейно-оптических и эмиссионных аномалии, связанных с неравновесностью »лектрокиого газа вещества :лзооляет судить о состоянии поверхности, функции распределения и релаксационных характеристиках металлов на кинетическом втапе ыцолюцин.

Рассмотренный в работе неравновесным "нагрев" слектроннон подсистемы позволяет с единых позиций объяснить целы Л ряд экспериментальных результатов, таких как ьдхоноыериосш оптического отражения, угловые, поляризационные н мощностаыг зависимости фотоомисснонного тока, аномально высокие температуры фотоалектроноо.

Результаты работы могут быть использованы для рассмотрения процессов фотохимии на поверхности, для разработки аналитических методов исследования элементного состава поверхности на основе яалеюы лазерно-стнмулнрованного аарядообмена о системе атомарная частица -твердотельная поверхность. Тот же метод может быть использован для прямых измерений нестационарной функции распределения электронов металла с временным разрешением порядка длительности лазерного импульса. Кроме тога, данный метод позволяет получать аависимостн потенциала ионизации атомарной частицы от расстояния до поверхности для исследования "ос бени остей первой фазы формирования лазерной плазмы.

На яащиту выносятся следующее положении!

1. Разработанный 'метод нестационарного вторичного квантования и его применение в задачах кинетики многовлмсгронных систем, подвергаемы* внешнему периодическому воздействию.

2. Решение нестационарного квантово-мехдннческого кинетического уравнения для электронного газа металла в высокочастотном влек1 ромагнитпом поле с учётом энергетической и температурной зависимости релаксационных характеристик.

3. Теория лазерно-стмулированной поверхностной ионизации.

4. Расчёт амплитудных и частотных характеристик электронной эмиссии.

5. Расчет спектральных, амплитудных н частотных характеристик

горячей люминесценции.

Публикации

Осногное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы

Основные положения н результаты работы докладывались на XX м XXI Всесоюзны* конференциях по вмисснонной электронмкн /Киев 1987, Ленинград 1990/, на IV Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных н электронных потоков с sei .есиом" /Фрунзе 1990/, на ХШ и XIV Международных, конференциях i.n когерентной и нелинейной оптике /Минск 1988, Ленинград 1991/, на VI Международной конференции по иногофотонным процессам /Квебек 1993/, на XXVI Конференции европейской группы по етомной спектроскопии/Беллатерра 1994/.

OGvetj работы

Диссертация сострит на введения, трех глав и заключения. Работа содеряогг 108 страниц текста, 20 рисунков и списка литературы из 63 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, ее практическое значение, приводится краткий исторический обзор развития проблемы и существующих недостатков теории, иа основании чего формулируется цель диссертации, а также основные положения выносимые на ее защиту.

В г л а в с I излагается метод нестационарного квантования, предназначенный для описания многочастичных систем в сильных нестационарных полях. Суть метода заключается в использовании решений нестационарного уравнения Шредннгера, описывающих поведение электрона во внешнем нестационарном поле, в качестве базиса ортонормировднных функций, используемых для представления "одетых" полем электронов. Определяются операторы рождения и уничтожение частиц в »тих состояниях, удовлетворяющие фермиевеккм штикоммутациоиным соотношениям. Далее, уравнение Гейзенберга обобщается с учетом нестационарное™ базисных функций. В результате, в уравнении пропадает члек учитывающий явно взшшоденствие частиц с внешним полем. Полевм: воздействие учитывается в матричных влеменгах процессов рассеяния квазичастиц друг на друге и на других рассеивателях. Для конкретной реализации метода используется йртонормированньш базис квазиэнерге-•шческих волковских функции, являющихся решениями одмозлектронной задач» с периодически зависящем от времени гамильтонианом.

Метод нестационарного квантоваиня представляет собой простую процедуру, позволяющую получать квантовые кинетнческнг уравнения для мнсгочастичиых систем в нестационарных внешних полях, минуя утомительные вычисления в рамках традиционного подхода (5]. Вместо этого кинетическое уравнение системы во внгшнем поле выводится с

помощью гам сны я бссполеных кинетических уравнениях матричных элементов, описьгэакмцих' процессы рассеяния электронов о отсутси'.-ш поля, на натрячьыс влемеиты тех же процсссоп, протекающих прн его налич»гл. В случае периодического внешнего поля эти пратшла подстановки можно соотнести с формулой Кролла-Ватсона [6].

Глада 2 посвящена исследованию процесса формирования распределения влектроиов п металле, находящегося в поле мощного короткого лазерного нмг.ульса. Во эаедении приводится краткий обзор литературы. Из обзора следует постаноока задачи - изучение указанного процесса с учетом квантовь** особенностей элементарного мета взаимодействия ь/.ектрона с полем электромагнитной волны [7] а также с учетом энергетической и температурной зависимости частот электрон-влектронкъм и электрон-фоноины.т столкновений [8]. Далее полагается, что:

• частота электромагнитного излучения ограничена снизу значением кТ0 /Й, где Тр - температура Дебая металла, -и не превышает частоты мегхзоиных переходов а также частоты плазменных колебаний;

• плотность мощности и длительность лазерного импульса таковы, что не происходит заметного разрушения поверхности металла за время действия лазерного импульса;

» аахон дисперсии электронов близок к параболическому;

• релаксация электронного газа к равновесию определяется электрон-электронным'рассеянием и рассеянием на акустгческих фононах.

Данные модельные предположения позволяют значительно упростить рассмотрение, ограничивая последнее случаем нормального скин-аффекта, ие учитывать аффектов, связанных с симметрией кристалла, возбуждением плазмекиыя колебании о объеме и на поверхности среды и т.д..

С учетом вышесказанного В качеств базисных волновых функции влектрона в нестационарном поле используются волховские волновые Ф>мкции [7]. На основе метода нестационарного квантования, выводится хзлнтовое кинетическое уравнение (уравнение для одночастичной . ¿трнцы плотности), учитывающее взанмодейстии влектронов друг с другом и с фоионным резервуаром. Для улрицгщш вадачн влияние влектрон-елехтронных столкновении учитывается в приближении времени релаксации. При атом (эффективная температура електрснев находится Р соответствии с моделью неравновесного натрем [1]. Рассеяннг електронса на ({юнонах учитывается точно а влсктрои-фоионные процессы с участием казнто;> поля рассматривались в рамках кпазиупругого приближения. О-шгтим, что интеграл влектроМ'фсионных столкновений, ьыоедэдньш с использованием метода нестационарного квантования, совпадает с выражением, полученным ранее в [7] с использованием обычной процедуры.

В оптической области частот параметр ((О т) ', (и - частота излучения. Т - время релаксации олектроноа) определяющий относительную интенсивность гармони* Фурье-разложеиия функции распределения, ицого меньше единицы, в то время как стационарная часть функции распредели 1ня от втого параметра не зависит. Это позволяет ограничиться анализом стационарной части функции распределения, удовлетворяющей кинетическому уравнению:

<-' ' " я»-» 1

где Уф) - функция распределения, /р - равновесное распределения, Л^ -

ч .■■■■• ..

фоноиное распределение, £ - ма.ричныи олемент электрон-фононного

гза>!мод«нстоия в отсутствии поля, J„ - функция Бесссля, Ь = сЕ)Ш(Л1 -¿мплктуда колебания электрона в электромагнитном поле.

Решение кинетического уравнения было найдено в виде разложения по малому параметру равному количеству фотонов, с которыми взаимодействует электрон за время электрон-электронной релаксации. Анализ полученного решения позволил установить:

1, Воздействие периодического внешнего поля на электронный газ металла приводит к формнроватис а гонг облучения нерасновесного распределений. Функция распределения электронов имеет ступенчатую 1 структуру (см рисИ),

а

Рис 1. Нершмоэккая (сялогстя линия) я (шиювесна* (пунктирная Л| т..«) функции распрдоенпг. (л) V,, = 0.(■) = 0.1\„

2. В том случае, когда частота олектрон-фононных столкновений превосходит частоту влехтрон-электрсжгых столкновений »

. распределение электронов изотропно по направлению импульса електрона. При этом, причиной формирования такой структуры распределит» самяотся каскада процессов одноква.чтового поглощения 3 вЛСКГрОН-фО!!ОШ!МХ СГОДКНОВеНПЯХ.

3. В противоположном случае (Уе_рА « Ум) распределение алектороноз в металле представляет собон результат кг.ч одно-хвотчадг., так к

миогокззнтовых процессоа. В втом рсжкые 8ле;.тронног раснрадглсн: е син.-,агроп.но по направлению импульса.

Данный результат подтверждает, сснзаиьге выводы феноменологической модели,. предложенной и [9], о ступенчатом ииде функции распределения. Вместе с тем, ниллясь более общмм. он позволяет аналнаирсмт;> поведение влектронного газа при &мачс>юя интенсивности ¡юля, когда теория ьсзыущеиия станоиится неприменимой, а так:;:-л предсказывает анизотропию функции распределена па напраале^И'О импульса.

В глаае 3 исследуется процесс зарядообмена ■ мекгду металлической поверхность и отлетающей от нее атомарной частицей и присутствии нерезонансного влектрсмагнппюго по-«. Рассмотрение »той задачи связано с тем, что воздействие мощного влектрсмагнмтного пол?! »¡а систему атем-поверхнасть приводит не только к изменению динамики зарядообмена, но и к "неравновесному нагреву" »лектроноа металла, который в свою очередь оказывает влияние кв процесс аарядообмена. В связи с &тмм возникает необходимость разработать теоретическую моде.«-, поверхностной ионизации атома в влектро,магнитном поле с учетом донного обстоятельства.

Во введении приводится краткий обзор зкеперкментальных »1 теоретических работ по дайной проблеме, из которого следует постановка задачи исследования.

Для решения поставленной задачи используется квазиклассическая феноменологическая модель зарядообмена [10]. Предполагается, что ато»: десорбируется с поверхности металла в результате лазерного нагрева. На некотором расстоянии (критическое расстояние перезарядки) зарядообмен между 'атомом и поверхностью прекращается [11]. Таким образом, конечное зарядовое состояние атомарной частицы оказывается равным

■лг.рядоаому состоянию атома, удаленного от поверхности на кр1гпг!еска:: р»сстопг.ис перезарядки. ВозлсПстнне электромагнитного поля приводит я деформации функции распределения металла, как было показано выше, и везинкновешяо дополнительных каиало.1 зарядообмена, характеризуемых .чоличестоом фотонов, поглощаемых или испускаемых при туиийлирооаннч электрона из металла в атом и обратно. Влияние поля учитывается феноменологически в вероятностях захвата и потерн атомарной частицей электрона. Из решения балансного д])ффереициалыюго уравнения для населенности атома, находящегося иа критическом удалении от поверхности, находится общее выражение для степени поверхностной ионизации. В отсутствии поля оно совпадает с формулой Саха-Ленгмгара.

Найденное выражение используется для вычисления степени ионизации атома меди испаряемого с медной поверхность. Показывается, Что при малых значениях температуры поверхности (умеренной заспетке)

импульсное лазерное воз- действие может приводить к значительному (на несколько порядков величины) увеличению степени ионизации

(рис.2). При увеличении температуры поверхности степень поверхностной ионизации асимптотически Приближается к степени ионизации по Саха-Лэнгмюру. Расчитывается также зависимость степени ионизации от частоты лазерного излучения (рис.3) при разных значениях плотности мощности лазерного излучения. Найдениье вазисимости позволяют сделать вывод, что процесс

а ю'

2.0x1 СГ 3 4.0x1 От3

Г"1, КГ1 Рие. 2

6 0x1 (Г3

аарядообмеал между атомом и металлической поверхностью в присутствии электромагнитной полны - частотно селективен, что связано со ступенчатой формой электронного распределения металла.

Помимо решения, основанного на использовании квазнклассической модели, в работе представлена квшгтовсмеханическая теория ионизации атома на поверхности металла в электромагнитном поле. Развитый подход основан методологически на модели Андерсона-Ньюнса [12]. Однако, о отличии от модели Андерсона-Ныонса, п гамильтониан добавлены члены, соответсг-ьуггщис взаимодействию влгктроноа с влектронами и фоионами. Влияние «электромагнитного поля на процесс зарадообмена учитывается о раыках формализма нестационарного квантования. С использованием метода нестационарного квантования выводится система балансных уравнений для населенности основного сосгояшм ато.ма и функции распределения электронов металла.

Данные уравнения описывают процесс зарядоо&иеш между атомарным .уровнем еа и серией влектронных состояний в металле Ср. связанных законом сохранения Ер = ъа +отЛсо, где тп - любое целое число.

соответствующее числу поглощенных или излученных квантов. Анализ наиденной системы уравнений позволяет выявить два существенно отличных режима аарядообмена » квазиклассическнй и квантовый. Первый режим реализуется, когда частота столкновений электронов с

ю-« ю-'

Юэ 10" 10'® 10 е.

-г -800 Вт си"' л'

---500 Вт см'3

/ ^ Г { ^__.

/; 1 ^-Ю-10 с

^ 4 Лй>, эБ

Рнс.З

рассеинателямм в металле превосходит ■истоту тунелироваин-!, В атои случае процессы оарядообмена, как более медленные, не оказывают влияния на фунхц-оо распределения, что позволяет расцепить систему уравнений. Таким образом, показывается, что функция распределения удовлетворяет кинетическому уравнению, полученному а главе 2, а населенность атома находится из решения квазиклассического уравнения с равнеящимн от поля вероятностями туиелироиання из атома п металл и обратно. Во втором (квантовом) режиме »арядообмена релаксация электронов в металле протекает медленнее, чем процесс яарядообмена. В отои случае для вычисления населенности атомарного уровня необходимо учитывать калнтоЕые интерференционные эффекты. В общем виде эта проблема была подробно изучена а [13], поэтому п настоящей работе ьнализнруггея только клагкклассическгы режим озрядообмена.

Далее, пехазыиаггел, что уравнение для населенности атома полученное при решении строгой кЕантавсмеханнческой задачи, совпадает с уравнением, псиэльвуемым гыи!е в феноменологическом »одели, га тем исключении, что выражение для вероятностен гахвата (потерн) электрона С млн найдены из первых принципов. Для оценки величии они вероятностей кпазианергетическне состояния электрона в металле аяракелмнруется как и о главе 2 волковскими волиовыми функциями а волновая функция электрона а атоме находится с помощью адиабатического приближения Ландау-Дыхне [14]. С использованием данных модельных предположений находятся аналитические выражения для матричных элементов перехода а также выражения для населенности атомарного уровня и степени ионизации. Полученное пыраж< ние для населенности атомарной частицы позволяет установить, что о общем случае каждый из каиалоп перезарядки характеризуется некоторым критическим расстоянием

¡креаарадкк. Причем ото обстоятельство приводят к еще большему

Б гаклю'игтелъной часта главы о6су;ада:этсг Еоамоглности пгпольгиьазмя ламрно-стимулировашаЗ поверхностной Го№е>ации г.рймого •вондирокипм неравновесного электронного распределения и для ¡лучения £аг,нсимостн положения Енгргетн1!есксго уродил ьтома а расстояния до поверхности.

Г А ь п £ 4 посвящена теоретическому исследовали» особенностей слектронной »миссии и люминесценции металлов, обусловленных игршювеенгым состоянпсы функции распределения. Постановка »той задачи связана с тем, что для указадаыя »оленин в последнее время были получены результаты, не укладывающиеся в общепринятые представления о ьоядейстоки электромагнитного нзлучешш на металлы [1,2], в именно: иепланковскин спектр свечения поверхности металла а также появление в внергетическом спектре фоторлектроноп с энергиями, на два порядка превосходящими внергтпэ фотона.

Как указывалось в [9], втн особенности могут быть связаны с ; неравиовесностыо влектронного распределения. Проведенные в работе вы-

отклоненаю степени ионнвлции от зависимости Саха-Льнгй^эрп.

чнелення яависнмости ннтен

1», эВ

С1ШНОСТН свечения от частоты с учетом деформации функции распределения показывают, что спектр свечения - неравновесный и характеризуется периодической структурой с периодом равным величине кванта

Рис.4

электромагнитного поля

(рис.4). Ввиду того, что

поля

Li?;cíiepio.'i.iiT2A!)!i:jt исследована" [4] ироподилигь для ограниченного частотного интервала, в настоящее врем» нельзя устаношггс» денстадпел: ч > ли спектр люминесценции i.'terr подобную структуру. Вместе с тег, сравнение пронесенные здесь вычислен::.! наямен .«екггей интенсивное*.!! свечения от интенсивности возбуждающего излучения при фиксировании! частот*« свечения с вксцеримеитально наблюдаемыми [4] позволяет говорить о качественном согласии с вкслеримситом (4].

Во ато(юн части глады 4 исследуется влияния нергшнеиеспого со;-теягня электронного газа на характеристики рл?ктpotmoii вин cam. выио-дктся аналитическое выражение для плотности тока фотоэлектроне:!. Рассмотрение проводится в рамках теории обм .него фотоэффекта. Предп -латается, что ом1гггироваться могут только те электроны, нормальная составляющая скорости которых превосходит некоторую крнтичгсгую pw.t-чииу. Выражение для плоткоста тока вмнеекп совпадает с формулой да." тока термоямнеенн, но вместо равновесной функции расп(>еделе!ш'Т bas¡:-тронов используется функ;ум, найденная го ото рей главе. Полученио.1! выражение для плотности тока обобщает формулу, найденную ранее ча основе феноменологической теории Фаулера-Дюбриджа [15]. Нгиденкм формула используется для вычисления частотной зависни «от тока. Показывается, что наблюдаемое резонансное поведение частотж й взяисимоста тока вблизи точек, в которых происходит изменение порядка фотоаффекта, пожег бита объяснено также в рамках теории объемного фотоэффекта (аналогичные зависимости, полученные с использование теории поверхностного фогговффекта, были представлены ранее в [16]).

В г.1ключ1ггелыюй части главы обсуждается соотношению вкладов объемного и поверхностного фотоэффекта в полный ток. Показано, что объемный фотоэффект превалирует, когда реализован одиокзаитовый режим формирования распределения влектронов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ и выводы»

1. Разработан метод нестационарного квантования, Предназначенный для получения кинетических уравнений длк кногочастнчных кшштошох систем в сильных нестационарных полах, когда неприменим кодаод. основанный на теории возмущения.

2. Впервые исследуется хвантовое кинетическое уравнение для влектрс-нов хигталла в поле влектром&Г№ггксн волна с учетом внергетнческой и температурной «асмсшости частот плектром-влекгронных и влект-рон-фононных столкноосшш. Показано, что в зависимости от соотно-шашд ьтиж частот распределение формируется либо о результате серий одиокш>итопых процессов (» v«)> м;&о в результате одиночных

многоквантовых переходах В сбою случаях ра определенна характеризуется сложно» ступенчатой формой. гшмсяз&сн ort направленна импульсе.

3. Изучен процесс коннз«цю; одкоуровнего атома, десорбируемого с поверхности металла в присутствии влектррмапипиого паля, с у*«гтш его влияния ках на атомарную систему, таж и на состояние влгстром-ного rasa металла. Рсзработашая феноменологическая модель предсказывает существенное увеличен:«« степени нонизацгш атома по сравнении со случаем, когда поле отсутствует а также частотную селективность процесса, связанную с вырожденным состоят«« электронного rtsa металла.

4. Разработка квштовомехгтгческгя тгзргя гарадоо&чена в системе

етои + металл + периодическое влектро-мапвтюг тле" с учетом процессов релсксьщга електрокоа внугрн металла. Найдена аиалгш;-ческое выражение для населеннсстн стсмз. позволяющее точно находить вероятности процесса лазерно-гтюауляроэанного ад «jara (потеря) влектронк на стомарнын уровень, и также учггтывать аффекты

1Б

кедднвбвшгаюст. Полагало, что а пределе теплопых скоросгей агсмгрион 40CTäf»^ä в результате рел&хсацномиых столкновений в металл« ааряловсе состояние атсма сложным образом отелеяатает поведение функции распределения, что в принципе позгеолягт еиализнревать релкксецнснные ялректернстики кинетических процессоя а металле по наведенному электрочапипным полем иэменезппо г-арядоаого солтсяи»«. Другум тахкым следствием ремхещмеш/ъа процессов <тяетея ресширение облает« применимости свазикласснческон теории ядрядообмеиа.

3. 'Проанализировано влияние кгоэсновесности влектронного распределения m зависимости свечеккя метыла от характерней лазерного налучешм. Поквл-мю, что нерапносесное свечение на несколько порядков может превосходить тепловое стечение. В М(гнстс:<сосой сбласп) слемтра созможно появление периодической структуры, период которой ccnriV-seT с частотой квантв возбуждающего поля.

6. Проведен ab mitio вывод формулы для фотоэмнссионного тока, подтверждающий результаты теории Фаулера-Дгобркдж:. Проачализнро-пг.я относительный юслад в фототек объемного и поверхностного механизмов фогоамкссни*

Основное содержание диссертации изложено о работая»

1 Зкнозьеа A.B., Луговской A.B., Усманов Т. Ионизация атомов на поверхности металла в поле мощной влектромап) ггной волны. //В вн.:''XX. Всесоюзная конференция по емиссионной электроники. Тегнсы докладов. -Киев, I987.-c.121.

2. Зиновьев A.B., Луговской AB., Усманов Т. Ионизация атомов на поверхности металла в поле лазерного излучения. // Препринт N 20, Инспгут алектроники АН УяССР, -Ташкент, 1989.

3. Бснькоа А.В-Зшюиъеа A.B., Луговской A.B., Тугушев Р.И., Усмани!) Т. механизмы образоианяч ионов при лазерном облучении RcnepxiiocTH металлов // В кн.: Взаимодействие излучения, плапмснных и влсктронных потокор с веществом. Мг -сриалы 4 Всссоювнон хО)и)>сре)1Ц))ии.-Шруил'Л990. -с.25.

4. Зиновьев A.B.. Лугоиской A.B., Усманов Т. Динамика формирования функции распределения електронои металла в поле лазерного излучения. // В кн.: Взаимодействие излучения, плазменных я s-u-KTi'KJiiiitJx поте,сов с сещсстпом. Материала 4 Всесоюзно;! конференцшш.-Фрун»е,1990. -с.62.

5. З.чиов&еа A.B., Луговской A.B., Усмапов Т. Ионизац :й атомов на по-»крхиостн металлов в поле лазерного излучения. // ЖЭ1Ф т98, в.4(10)

6. Зиновьев A.B., Лутсвской A.B., Усманов Т. Ионизация атогиоз иа поверхности металлов в поле лазерного излучения. // Тезисы докладов Международной конферкнцни по когерентной и нелинейной оптике, -Мннск.-1988, -ч-iV, с.40-41.

7. Знповьеп A.B., Луговской A.B., Усманов Т. Нелинейная олентропп&а омнссия на металлов, возбуждаемая ультрокороткнмн лазерными импульса).»!. //В кн.: XXI Всесоюзная конференция по ьмиссионнсн влектронкки. Теэнсы докладов. -Ленинград, 1990.-ч.2,с.65.

8. Зиновьев A.B., Лугосской A.B., Усманов Т. Формирование ноной при лазерном облучении металлической поверхности // Тезисы докладов XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, -Ленинград, 1991, -ч,1, с.53.

9. Зиновьев A.B., Луговской A.B., Усманов 'Г. Эмиссионные процессы при лазерном . облучении металлов в кн. Взаимодействий корпускулярных пучков с поверхностью твердых тел. - Ташкент, Фан,

(1992), С.171-184. •

10. Зиновьев А.В„Кулагин И А., Ayi-овсхон A.B., Усманов Т О возможности зондирования металлической поверхности по нелинейно-оптическому отклику // Тезисы докладов Международной конференции "Оптика Лазеров" С.-Петербург Россия (1993), С.483.

11. Lugovskoy А.V., Usmanov Т., Zinoviev A.V. Possibility of metal surface probing by their nonlinear optical iesponse.Abstr.2nci.Int. Conf.on "Laser and their applications", Tehran,-1993, P;65.

12. Lugovskoy A.V., Usmanov T„ Zinoviev A.V. Lawr induced non-equilibrium phenomena on a metal surface. Journal of Physics: D Appl.Phy«. (1994), v.27, pp.628-633.

13. Lugovskoy A.V., Uimanov Т., Zinoviev A.V. Atom in a strong electromagnetic field in the vicinity of a metal surface// Abstr. 26 EGAS Conference, Bellaterra. Spain.(1994), pp.432-433.

14. Зиновьев А.В.,Кулапи| И.А., Луговской AB„ Усманов T Нелннейчо-О1ггическне свойства металлов в сильном электромагнитной

поле // ЖЭТФ.-1995-т.107,в.З.-С.894-905

15. Lugovskoy А.V., Usmanov Т., Zinoviev A.V. Electron angular d'ititibution produced by ultrafast laser pulses // Proc. of XY Int.Conf. on Coherent and Nonlinear optics. St.-Peterburg.-Russia.-1995.-v.I.-p.78-79.

Цитированная литература)

1. С.И.Аннсинов, Я.И.Имас, Г.С.Романов, Ю.В.Ходыко/Действие нал учении большой мощности на металлы.-Москва:Наука, 1970, 272с.

2. Gy. Far leas, Cs.Toth/Energy spectrum of photoelectrons produced by picosecond laser-induced surface multiphoton photoeffect//Physical Review

A. - 1990..v41jYs7.-P.4123-4t26

3. Вещество с сверхснльном лазерном поле/ Б-Лютер-Д: ',ке, Е.Г.Гома-лий, Янжи Ванг, А.В.Роде, В.Т.Тихоичук//Квантовая i л'.ктроинка,-1992.-Т.19,№4.-С.317-359

4. M.B.Agranat, S.l.Anisimov, B.I.Makr,hanteev/The anomalous thermal radiation from metal« prolused by ultrashort laser pulses. I// Appl. Phya.B.-1988.-v.47.-P.209-221

3. В.М.Г&лиданн, В.Ф.Елесин Резонансное взаимодействие олектро-кягнитныз палей с полупроводник;»«!. - Москпа: Энергоатоииз-дат,

1986.-192с.

6. N.M.KrcIJ, K.M.Watson/Chargeparticleecatttring in the presence of a strong electromagnetic wave//Phys.Rev.A.-1973.-v.8,n.2.-P.804-809

7. Э.М.Эпштейн, Г.М. Шмелей, Г.И.Цуркьн Фогостимулнровакные процессы ь полупроводниках.-Кншниёв:Штиннца, 1937-16&С.

8. В.Ф.Гшпмахср, И.Б.Левшсои Рассеяние носителей тока в металлах п полупроводниках.- Москва:Науха, 1984, 352с.

9. А.В.Зиновьев, В.Б.Ауговсхой Неравновесное ьоэбуждение слсктроказ металла мощньт монохроматическим излучением//ЖТФ.-1980,-т50№8.-С.1635-1641

10. The ionization of hypcrtherma) sodium atema on W(110) aa a function of temperalure/E.G-Overbotch, B.Rmscr, A.D,Tenner, J.Los//Surf. Sd.-1980.-v.92,n.l..P.310-324.

11. ЭЛ.Зандберг, Н.И.Ионоа Позгрхсстная ноннзация. - Москва: Наука, 1969. - 432с.

12. J.Lot, J.J.C.Geerling» Charge exchange in atom-surface collisions// Physics Report».-1990.-v]90№3.-P.133-190

13. D.B.Miloievic. P.S.Krtt'c, RKJener Fermation of the fastr essbted resonant end auger processes in flow coiüsions of atoms (ions) cn mebl surfaces//Surface Sc,ence.-1990.-v.227,№3.-P.347-360

' 14. Н.Б.Делоне, В.П.Крайнов Атом в еялыюы световом пале.- Москве: Знергоотомиадат, 1984. - 166с.

15. RJen. J.Liu, N.BIoembergen //OptCommun.-1980-v.35.-P.277-

lb. И. И. Канторович Влияние нагрела влектронов оптическим излучением на нелинейным поверхностный ^юто»ффект ив металлов/Письма в

ЖТФ,-1977.-т.3.1».5.-С.230-232

Металл еиртнл«ги алектрвц прпугсмлрпи лазер кипульт ;<аЛдс:;мда стационар будиагвя кнантлаш усулн б план ургаинш

Мазкур нш юкори цувватля ута нмпулъслн лазер ёрдамида

метал сиртида пзйдо булгаи тез харакатланузчи электрон процессларнн (электрон, (¡он ЭИНССИЯС11 аа нсснц люмннгсцшцляни) ургасншга багншллнган. Ишда сггпмопар булмагм кшштлаш (СБК) усулндан фоЛдэлзниАглн. Р.кка ззррп електроц холптп стационар булшгт тулцяп пакетларн ёрда»»ида ёзнлган. Энчлаш матрнцас.ч ва СБК усулндан фоидалаш'ш натнжаснда игталлдз рлгктропляршшг тацспмлаинш функцняси учуй кинетнк тенгланма олнндн. Шу тенгланма желешшг модели асесцй зконлашшп билг.п чекланамнз. Кнпетик тенглзма кичик майдонлар чегарасида анализ «^нлниади ва ечнладн. Х|»соблаб топилгвн ечни металдагн Ферми сиртидэн ю^орцда жойлашган электронлгршшг пандо булншн учуй толнлган. Б у ечнм нссиц электро нлар знчлягшш цннматнми ташцн мандом . ва метзллардагн релаксация процессларн характернстихаларн билли богланди. Электрон эмиссия, исснц люминесценция, лазер-таъснрнда пайдо булгаи мусбат ионлдр змнссиясн мнсолнда электронларшшг та^скмланнш функцнясн учу» топилган ифода ёрдамнда юцоридагн эффектларнн куп фэлда сифат ва мнкдор жнхатидан анализ цнлнниш муикннлигн курсатилган.

Метал снртндам уч»б чн^аётган атои зарраларшшяг заряд эрлатлари ландо булншн урганнлган. Иш квазнкласснк ва квант, механикаси иуцтаи -назарндан урганнлган. Ожнрт ^олат С6К усулн »рдамнда урганнлган. Ечни таш^н даврий мандрннннг электрон гаэннннг номувозанат цизншн ва заряд алмацншншнг куп каналлн характергпа комплекс таъснрннн зргсобга «мню. никоннин беради.

E&vesiigatiou cJ dttboa proteases ¡a Besr-sturfacc region o? racial ia laser puis» field by lbs wellies! of cccstalioaary qtantiiatioa

This v/ork is d? voted to investigation of rapid electron processes occuriug on a metal Eurface exposed by ultrashort ulirastrong laser field, nai.itly, laser stimulated emi'sion processes (electron-, ion-, and light-emission). Th; v/cik is l»«8ed or, the method of nenstationary quantization (MNQ) cor.cisting in the ii»i of nor.stalionary wave packets for representation of one-particle electron jiutea in an nonstatiannry external field.

!n the framework cf matrix density approach the kinetic equation for the c!ectron distribution function of a rr.ctol, concidcrcd in the jeleu model, arc derived vith the use of the MNQ. The kinetic equations are analyzed and „eked in the tow field limit. This lolution predicts the appeartnee of a nansets diction", and allows to assosinte the characteristic values of na.ue-it electro:! density r.ith characteristics of laser radiation and relaxation processes in the mctrJ. The found nonequilibrium distribution function is shown to allow qualitative and sometimes quantitative explanation of a variaty of emission -'phenomena such as electron emission, nonequilibrium surface glow,.positive ion formation.

Flic last process is investigated both classically and quantum-niecanically

inr the tiniplcst model of a one-leveled atom. The later approach is eiso based

on ths MNQ. "Hie solution takes into account the complex action of the

t

external "«iodic field on the whole atom-surface system - the nonequilibrium "heating" of the electron g&s and multichanel character of charge-exchange.