Исследование мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы и его использование для формирования фазово-контрастных изображений наноструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ГАСИЛОВ Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНОСТРУКТУР

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003449123

Москва - 2008

003449123

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН и Учреждении Российской академии наук Институт математического моделирования РАН

Научный руководитель доктор технических наук

А Я Фаенов

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук В М Гордиенко,

кандидат физико-математических наук С И Ашитков

Ведущая организация

Институт общей физики им АМ Прохорова РАН

1Ь

« '--У

и ж

мин на заседании

Защита состоится « ^ » 'Л У^/с//2008 г в

диссертационного совета Д 002 110 02 в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук по адресу 125412, Москва, ул Ижорская, 13 стр 2, Экспозиционный зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз, заверенный печатью организации, просим выслать по адресу 125412, Москва, ул Ижорская, 13 стр 2, ОИВТ РАН, учёному секретарю диссертационного совета Д 002 110 02.

Телефон для справок (495) 485-79-77

Автореферат разослан Л ££!{?■# У У гш г

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

© Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, 2008

ал х°мкин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Взаимодействие сверхбыстрых (гиШ7=1СЮ фс) и сверхинтенсивных (/¿>1016 Вт/см2) лазерных импульсов с веществом приводит к образованию высокотемпературной плазмы многозарядных ионов с плотностью близкой к твердотельной Основными методами исследования такой плазмы являются анализ зондирующим электромагнитным излучением внешнего источника (активная диагностика) или анализ излучения, испускаемого самой плазмой (пассивная диагностика) В частности, спектры коротковолнового линейчатого излучения многозарядных ионов являются естественным и исчерпывающим источником информации о физических процессах, происходящих в сверхбыстрой лазерной плазме, и позволяют определить ее температуру, плотность, функцию распределения ионов по скоростям и другие параметры

Спектральные методы в физических исследованиях требуют основной информации о спектрах, а именно, измерений длин волн и идентификации спектральных линий Зачастую обнаружение спектральных линий, излученных фемтосекундной лазерной плазмой (ФЛП), и определение их формы становятся невозможными из-за большого числа помех, возникающих на зарегистрированном спектре Эти помехи обусловлены быстрыми заряженными частицами и коротковолновым электромагнитным излучением (гамма квантами), активным источником которых является ФЛП Поэтому разработка методов удаления шумов из рентгеновских спектров многозарядных ионов, излучаемых ФЛП, представляет собой актуальную задачу

Кроме фундаментальных аспектов рентгеновское излучение лазерной плазмы интересно потому, что оно позволяет создать эффективный и компактный лабораторный источник рентгеновского излучения для применения в различных областях науки, например, в рентгеновской микроскопии В этом случае, рентгеноспектральные методы исследования позволяют изучить процесс взаимодействия лазерного излучения с мишенями и оптимизировать лазерную плазму как источник рентгеновского излучения для различных прикладных задач Например, проведенные в данной работе эксперименты показывают, что плазма, образующаяся на поверхности мишеней, состоящих из элементов с небольшими зарядами ядра (фтор, углерод и т д), является в настоящее время одним из наиболее ярких точечных компактных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с длинами волн порядка нескольких десятков ангстрем Таким образом, ФЛП может успешно применяться как источник освещения в высокоразрешающей микроскопии и радиографии, закрывая разрыв между оптической микроскопией и традиционной рентгеновской радиографией, использующей источники жесткого рентгеновского излучения В частности, излучение в мягком рентгеновском или

вакуумном ультрафиолетовом диапазонах наилучшим образом подходит для получения изображений сверхтонких пленок, микро и нанообъектов, потому что оно достаточно эффективно абсорбируется даже несколькими нанометрами большинства материалов

В случаях, когда необходимо получить изображения практически прозрачных для излучения объектов (например, очень тонкие объекты, объекты, состоящие из материалов с небольшими зарядами ядра 2, полимеры или биологические образцы), контраст изображений может формироваться не за счет абсорбции, а за счет фазового контраста Методы фазового контраста имеют ряд преимуществ перед традиционной радиографией, например, возможность снизить дозу облучения предмета практически до нуля, значительно большую чувствительность и, как следствие, возможность исследования наноструктур и материалов с низкими атомными номерами До недавнего времени единственными источниками, с помощью которых можно было реализовать методы фазового контраста, были синхротроны - сложные и дорогие установки огромных размеров Появление сверхинтенсивных и сверхбыстрых лабораторных лазерных установок сделало актуальным разработку компактных когерентных источников рентгеновского излучения, в том числе и на основе сверхбыстрой лазерной плазмы, что открывает перспективы ее использования для решения более широкого круга прикладных задач

Цель и задачи диссертационной работы

Цель данной работы состоит в проведении фундаментальных и прикладных исследований в области взаимодействия сверхинтенсивного сверхкороткого лазерного излучения с веществом

Основными задачами, которые были поставлены в ходе исследований, являются экспериментальное исследование генерации мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы, оптимизация выхода мягкого рентгеновского излучения из такой плазмы и его использование для абсорбционной и фазово-контрастной радиографии микро и нанообъектов

Научная новизна работы

1 Разработан метод для выделения линий излучения многозарядных ионов из сильно зашумленных рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы, регистрируемых с помощью детекторов на основе приборов с зарядовой связью

2 Проведены комплексные исследования особенностей формирования рентгеновских спектров многозарядных ионов в плазме, образующейся под воздействием сверхинтенсивного сверхкороткого лазерного излучения Проведена оптимизация пространственно спектральных характеристик образующейся фемтосекундной лазерной плазмы, позволившая разработать высокоинтенсивный

точечный источник излучения для радиографии микро и нанообъектов в мягком рентгеновском диапазоне длин волн Выполнены измерения пространственной когерентности такого источника

3 Разработан новый метод получения изображений микро и нанообъектов с использованием кристаллов фторида лития в качестве детектора рентгеновского излучения Продемонстрирована возможность регистрации изображений различных объектов с субмикронным пространственным разрешением и полем зрения в несколько квадратных сантиметров

4 Предложены и реализованы методы по определению неоднородностей в толщине и составе тонких пленок с толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров Для улучшения чувствительности определения неоднородностей применен метод распространительного фазового контраста с использованием в качестве источника освещения мягкого рентгеновского излучения плазмы, нагреваемой фемтосекундными лазерными импульсами

Практическая ценность

Разработанный метод удаления шумов из сигналов, записанных с помощью детекторов на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС детектор), может быть использован для улучшения отношения сигнал/шум при регистрации рентгеновских спектров ФЛП, а в некоторых случаях для обнаружения спектральных линий, полностью скрытых шумами Это позволяет более точно проводить диагностику параметров плазмы, образующейся при воздействии сверхинтенсивных сверхкоротких лазерных импульсов на вещество Экспериментально измеренные в работе рентгеновские спектры излучения ФЛП для различных материалов мишени и параметров лазерного пучка могут применяться не только для определения яркости, спектра излучения и размера источника, но и для тестирования новых теоретических моделей, описывающих формирование спектров многозарядных ионов в нестационарной плазме, нагреваемой сверхинтенсивным лазерным излучением Применение разработанного компактного источника МРИ для изучения внутренней структуры микро и нанообъектов позволяет проводить измерения, которые невозможно реализовать с помощью традиционной рентгеновской радиографии исследовать очень тонкие объекты (пленки с толщиной до нескольких нм), материалы с низкими плотностями или биологические образцы Разработанные и использованные в работе детекторы на основе кристаллов ЬР, не чувствительные к видимому и слабо чувствительные к жесткому рентгеновскому излучению, имеют высокий динамический диапазон и большую площадь для записи сигнала, что позволяет регистрировать рентгеновские изображения с субмикронным пространственным разрешением и высоким контрастом и использовать их в различных областях науки и техники При использовании ЬР детектора в оптической системе с источником освещения на основе фемтосекундной лазерной плазмы

можно реализовать метод для практического определения качества нанопленок Кроме того, как было продемонстрировано в настоящей работе, благодаря небольшим размерам и, как следствие, частичной пространственной когерентности, источник мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы может использоваться для получения изображений с помощью метода распространительного фазового контраста, что расширяет границы практического применения ФЛП источника

Положения, выносимые на защиту

1 Разработка метода выделения спектральных линий многозарядных ионов из сильно зашумленных пикообразными помехами рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы Анализируя серию зарегистрированных спектров (от 5 штук), метод удаляет паразитные пики любой амплитуды и ширины из каждого спектра, отличая их от узких спектральных линий, а также линий, по амплитуде сравнимых с величиной помех Эффективность работы метода ограничена только сильными колебаниями в интенсивности сигнала из плазмы и числом поврежденных точек на каждом спектре 10-12% от общего числа пикселей)

2 Исследование зависимостей излучения рентгеновских спектров многозарядных ионов F, Al и Fe от условий возбуждения плазмы, образующейся под воздействием лазерных импульсов различной длительности (ru„„=60-1000 фс) и энергии (£„„,,=15-120 мДж), позволившее разработать высокоинтенсивный точечный источник излучения для радиографии микро и нанобъектов в мягком рентгеновском диапазоне длин волн (10-100 А) с эффективностью преобразования лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение не менее 1% При этом в отдельных спектральных линиях указанного диапазона рентгеновский поток источника превышает 1011 фотон/ср за один выстрел

3 Разработка и экспериментальное использование детектора рентгеновского излучения на основе кристаллов фторида лития для регистрации двухмерных рентгеновских изображений наноструктур и нанопленок с субмикронным пространственным разрешением и изучение дифракции рентгеновских лучей

4 Измерение пространственной когерентности источника мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы и его использование в когерентной оптической системе, реализующей метод распространительного фазового контраста для регистрации изображений наноструктур

Апробация работы и публикации

Материалы, вошедшие в диссертацию, были лично представлены автором на следующих Всероссийских и международных конференциях International Workshop -Emerging Sources, 2007 (Lund, Sweden), «Воздействие интенсивных потоков на

вещество», 2008 (Эльбрус, Каб -Балк респ ), 50-я Научная конференция МФТИ 2007 (Москва, Россия), 6th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and Their Interaction with Electromagnetic Radiation, 2008 (Moscow, Russia), International Conference «Laser Optics 2008», 2008 (St Petersburg, Russia), бой Российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах», 2008 (Новый Афон, Абхазия) Основные результаты диссертации отражены в 6 статьях в реферируемых журналах и 4 работах в сборниках трудов конференций Полный список статей, опубликованных по материалам диссертации, представлен в конце автореферата

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии Автором осуществлялись проведение экспериментальных исследований, обработка, систематизация и интерпретация экспериментальных данных, а также моделирование результатов экспериментов по радиографии

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, всего 136 страниц, включая 51 рисунок и библиографию из 131 наименования

II СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, представлены сведения о структуре диссертации и практической ценности работы, сформулированы положения, выносимые на защиту

Первая глава посвящена проблеме удаления шумов из рентгеновских спектров многозарядных ионов, регистрируемых ПЗС детектором Такие шумы препятствуют экспериментальному исследованию плазмы, создаваемой лазерными импульсами длительностью менее 100 фс и очень большой интенсивностью /¿>Ю" Вт/см2 Глава начинается с описания экспериментальной установки, на которой производились исследования фемтосекундной лазерной плазмы, а также изучались возможности ее практического применения в рентгеновской радиографии и микроскопии Все элементы экспериментальной схемы (рис 1) можно разделить на три части, а именно приборы для создания, диагностики и практического применения плазмы К первой части оборудования относится Ti сапфировый лазер с чирпированным усилением импульса, фокусирующая оптика и мишень (см рис 1, позиции 1,2,6) Для диагностики плазмы использовался фокусирующий спектрограф с пространственным разрешением (ФСПР), спектры регистрировались с помощью

ПЗС детектора (см. рис. 1, 3). Для экспериментов по радиографии в камере устанавливались держатели с исследуемым образцом и кристаллом фторида лития (см. рис. 1, позиции 4,5). Описание лазерной установки содержится в разделе 1.1. В разделе 1.2 обсуждаются параметры ФСПР, настроенного на работу в режиме двухмерного пространственного разрешения (см. статью Young B.K.F. et at. Highresolution x-ray spectrometer based on spherically bent crystals for investigations of femtosecond laser plasmas // Rev. Sci. Instrum. 1998. V. 69. Issue 12. P. 4049-4053).

Рис. 1. Схема и фотография экспериментальной установки:

1 - мишенный узел; 2 - фокусирующая оптика; 3 - ФСПР и ПЗС детектор; 4 -исследуемый объект; 5 - детектор МРИ (кристалл ир). Также на схеме обозначены; б -лазерный импульс; 7 - плазма; 8 - излучение плазмы; 9 - излучение плазмы, возмущенное исследуемым объектом (в экспериментах по радиографии)

Далее в главе приводятся спектры многозарядных ионов фтора, полученные на описанной экспериментальной установке (рис. 2). Из рис. 2 видно, что при наибольшем потоке мощности лазерного излучения /¡.=1018 Вт/см2 (длительность импульса 60 фс, энергия 120 мДж, размер фокального пятна 15 мкм) спектральные линии полностью закрыты шумами, так что невозможно определить ни амплитуду, ни полуширину линии. Также, из рис. 2,а,б,в хорошо видно, как растет число белых точек на изображениях, полученных с помощью ПЗС детектора, с увеличением плотности мощности лазерного излучения.

Применение существующих методов удаления шумов из сигналов, записанных на ПЗС детекторы (см. раздел 1.3.1), не позволило выделить спектральные линии из шумового сигнала, который представляет собой резкие увеличения интенсивности сигнала в одном или нескольких соседних пикселях ПЗС матрицы - «паразитные пики» [1,2]. Следует заметить, что из-за сильной зависимости от стабильности лазерного пучка и условий фокусировки интенсивность спектральных линий меняется от эксперимента к эксперименту, что существенно затрудняет восстановление истинного спектра излучения плазмы. Анализ, проведенный в разделе 1.3.2, показал, что для их удаления необходима разработка нового метода, обрабатывающего серию записанных спектров (см. также работу [3]), поскольку алгоритмы, использующие один спектр, имеют невысокую эффективность

при появлении пиков, по ширине и амплитуде схожих с узкими спектральными линиями.

Рис. 2. Рост шумов с увеличением интенсивности лазерного излучения (Щ на примере рентгеновских спектров ионов фтора (спектральный диапазон 14,2-16,2 А):

а - /(.= 7,5-1015 Вт/см2; б - //.=Ю17 Вт/см2; в - /(=101в Вт/см2. Слева показаны изображения спектров, полученные с помощью ПЗС матрицы, справа - профили интенсивности в центральной части плазмы

Эти пики вызваны высокоэнергичными паразитными фотонами, которые вызывают значительно большее число отсчетов, чем спектральные фотоны, отраженные кристаллом спектрографа на ПЗС матрицу, и, таким образом, пиксели, содержащие паразитные фотоны, соответствуют событиям с очень малой вероятностью. Разработанный автором метод «Среднее-медиана» [3-5] позволяет идентифицировать паразитные пики в серии экспериментально зарегистрированных спектров для каждой ячейки ПЗС детектора независимо от остальных ячеек и затем удалять их. Например, на рис. 3,а показана интенсивность, зарегистрированная в оцном и том же ПЗС пикселе в 24 последовательно полученных спектрах. Используя методы статистики, алгоритм обнаруживает в этой серии два измерения, во время которых в пиксель попали паразитные фотоны (см. рис. 3,6). Действительно, вероятность того, что детектор зарегистрирует более 12 фотонов с энергией = 800 эВ (энергия 3-2 перехода в Ые-подобном ионе Ре XVII), не превышает 10~5, так что эти измерения необходимо исправить. Подробное описание разработанного метода содержится в разделе 1.4 и включает в себя результаты тестирования с модельными и экспериментальными спектрами (разделы 1.4.1 и 1.4.2 соответственно). Многочисленные применения алгоритма показывают, что он способен обнаруживать и удалять пики в случаях, когда повреждено до 10% всех пикселей, при этом эффективность алгоритма ограничена только стабильностью сигнала.

2

о» u

s»

0

X m

s» и

1 ti

im s

s,, » ts a Номер образца

s 0 2 <

Рис. 3. Принцип работы алгоритма «Среднее-медиана»: а - интенсивность, измеренная в районе максимума ЗС пинии железа (см. рис. 4) в 24 последовательно считанных спектрах; б - Распределение образцов по энергии зарегистрированных фотонов. Пунктирной линией обозначено пуассоновское распределение со средним значением 8, штрихпункгирная линия - среднее значение интенсивности по всем спектрам, штриховая - среднее значение без двух наиболее интенсивных значений. Стрелочкой показаны спектры, содержащие паразитный пик

Разработанный метод применялся для обработки рентгеноспектральных данных, полученных на различных экспериментальных установках [6-9]. В частности, рисунок 4 демонстрирует полное удаление шумов из изображений, полученных с помощью ПЗС матрицы в результате применения разработанного метода к экспериментальным спектрам железа, зарегистрированным в данной работе.

(2)

Ná-like

зс\зр

F-like

^■укяя

Mg^jike

14.8 15

Длина волны, А 1« ,м Длина волны, А

Рис. 4. Результат применения СМ алгоритма к спектру железа (14,2-15,7 А): 1 - усредненный спектр железа до обработки СМ алгоритмом; 2 - усредненный спектр железа после удаления шумов с помощью СМ алгоритма. Длительность лазерного импульса 60 фс, энергия 100 мДж, время экспозиции 2 с, усреднение по 9 спектрам

Во второй главе содержатся результаты исследования мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы. Глава начинается с обсуждения понятия спектральной яркости рентгеновских источников излучения как комплексного параметра, определяющего возможность практического применения источника в различных приложениях. Предложенная еще в 1983 году для сравнения эффективности синхротронных источников спектральная яркость стала использоваться и для характеристики других источников (см., например, Wilhein Т., et al. J. X-ray brilliance measurements of a subpicosecond laser plasma using an elliptical off-axis reflection zone plate. Opt. Soc. Am. B. 1998. V. 15, No 3. P. 1235-1241). Яркость импульсного источника В определяется как число фотонов N, испускаемое в

телесный угол ДО элементом источника размером А в 0,1% относительного спектрального диапазона (СД) В=Ы/(йП А йЛ/Л) Для определения спектральной яркости ФЛП необходимо, в первую очередь, измерить рентгеновский поток и размер источника, что было сделано в настоящей работе с помощью ФСПР В разделе 2 2 представлены экспериментальные рентгеновские спектры многозарядных ионов фтора в диапазоне 14,2-16,1 А, измеренные при различных экспериментальных условиях (рис 5) Определены пространственные размеры свечения, рентгеновский поток (рис 6,а), эффективность конверсии (табл 1) для различных линий В разделе 2 2 1 приведены значения яркости спектральной линии Hep ионов F VIII (рис 6,6) Погрешность измерения яркости не превышает 30% Она обусловлена точностью определения ширины линии на полувысоте и числа фотонов в этой части спектральной линии Исходя из оценки времени жизни спектральных линий, определяется пиковое значение яркости Впш = 7,00 1023 фотон/(с мкм2 ср 0,1 %СД) Принимая в расчет частоту повторения лазера (10 Гц), можно вычислить среднее

'ср = 2,10 1014 фотон/(с мкм2 ср 0,1%СД) Для пиковая яркость европейского синхротрона BESSY имеет значение 18 фотон/(с мкм2 ср 0,1%СД)

значение яркости линии Heß как В, сравнения, Впик= 5,00 10

6x10'

§4x10*

£2x10*

i

s

Не,

15иДж

- ЗОиД*

-- 60HÜI

--- 120цДж

128 «Я«

Х10*

!2-

á

Ly.

\

I h

Не,

---Т ПС

• боофс

ку.

14,5

145 15,0

Длина волна (А)

15,0

Длина волны (А)

Рис 5 Экспериментальные спектры фтора в диапазоне 14,2-15,8 А слева - в зависимости от энергии лазерного импульса при одинаковой длительности 1 пс, справа - в зависимости от длительности лазерного импульса при энергии 120 мДж

Раздел 2 2 2 содержит результаты моделирования контуров спектральных линий Определенные температура и плотность электронов плазмы, а также функция распределения ионов по скоростям, использовались для расчета полного спектра излучения плазмы в диапазоне 8-350 А, показанного на рис 7,а Кроме того, моделирование позволило определить относительное число ионов, имеющих скорости более 0 5 МэВ (см раздел 2 2 3) При наибольшей энергии импульса длительностью 60 фс их число могло превышать 3% для ионов F IX и F VIII [7]

Появление быстрых ионов и электронов в ФЛП лежит в основе работ, направленных на создание компактных ускорителей заряженных частиц

Таблица 1

Основные параметры исследованных спектральных линий

Спектральная линия Длина волны, Á Полуширина линии, Á Поток за одну вспышку, фотонов/ср Эффективность конверсии в линию, %

F 1к„ 14,458 0,026 1,6 1011 0,0170

F Ly„ 14,993 0,021 9,8 10'° 0,0120

Al Не,, 7,751 0,007 1,281010 0,0016

Fe ЗС 15,009 0,020 6,37 Ю10 102

1,936, 1,938 0,001 2,9 107 103

В разделе 2 2 4 с помощью рассчитанного спектра излучения тефлоновой плазмы определяется эффективный спектральный диапазон и полное число фотонов, излучаемых источником за один выстрел При энергии импульса 120 мДж и длительности 60 фс - 1 пс практически все излучение плазмы (96% фотонов) сосредоточено в спектральном диапазоне 10-40 А (см рис 7,6), причем большая часть излучения (~90%) приходится на линейчатый спектр Полное число фотонов, излученных плазмой в указанном спектральном диапазоне, достигает 51013 фотон/ср за выстрел для импульсов длительностью 1 пс и энергией 120 мДж Плотность электронов плазмы при этих экспериментальных условиях равняется №®2 Ю20 см"3, а температура Те=120 эВ Полученная эффективность конверсии лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение составляет 0,8±0,2%

0 10'

м

1 10' s

а а. m "-1П9

о i1U 5 °

10°

107

(а)

*

Длительность лазерного импульса ■ 1 пс • 60 фс ▲ 300 фс

9 Ю"

о 10"

ч

m

о

•е

10

(б)

Длительность лазерного импульса i 1 пс • 60 фс А 300 фс

20 40 60 80 100 120 Энергия лазерного импульса (мДж)

20 40 60 80 100 120 Энергия лазерного импульса (мДж) Рис 6 Параметры рентгеновского потока, создаваемого линией Нвр фтора при различной энергии и длительности лазерных импульсов а - число фотонов, излучаемых в линии, б - спектральная яркость линии

В разделе 2 3 проводятся исследования мягкого рентгеновского излучения металлических мишеней, состоящих из железа (2 3 1) и алюминия (2 3 2) В случае железа, рабочий диапазон спектрографа (14,1-16,2 А) позволил исследовать как

линии свободно-свободных переходов в многозарядных ионах Fe (ЗС, 3D, сателлигные линии), так и характеристическое излучение, представленное линиями Kai и Каг в восьмом порядке отражения (см рис 4 и таблицу 1) Максимальный выход фотонов наблюдался в ЗС линии железа (/=15 А) и составил 6,37 Ю,0фотон/ср за выстрел Намного меньшее число фотонов было получено в линии К„ (Л=2 А) - всего 3 107 фотон/ср/выстрел Тем не менее, такого числа фотонов достаточно для многих практических приложений Этот пример демонстрирует, что излучение ФЛП источника может быть легко смещено в коротковолновую область спектра с помощью простой замены мишени

Длина волны (А) Рис 7 Рассчитанный спектр тефлоновой плазмы а - спектр ионов фтора и углерода в диапазоне 10-250 А, б - суммарная интенсивность свечения плазмы в зависимости от длины волны

В заключении главы (раздел 2 4) на основе анализа литературы и публикаций проводится сравнение разработанного источника с другими источника рентгеновского излучения Особое внимание уделяется существующим источникам мягкого рентгеновского излучения, которые обладают свойством временной или пространственной когерентности Проведенный анализ показывает, что ФЛП является на данный момент одним из наиболее перспективных лабораторных источников мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 10-40 А

В третьей главе представлены результаты экспериментов по абсорбционной радиографии различных объектов с использованием фемтосекундной лазерной плазмы в качестве источника освещения Глава начинается с описания детектора мягкого рентгеновского излучения на основе кристаллов ЬР, предложенного в данной работе для регистрации изображений предметов, полученных при их освещении МРИ лазерной плазмы В разделе 3 11 показано, что существующие устройства для записи двухмерных рентгеновских изображений имеют определенные недостатки В разделах 3 12-315 изложен принцип работы и

основные характеристики детектора на основе ЬР Запись изображений осуществляется за счет формирования субмикронных люминесцентных структур, основанных на генерации центров окраски (ЦО) в кристаллах ЬР при облучении кристаллов ВУФ или МР излучением ФЛП Поскольку формирование дефектов возможно только за счет фотонов с энергиями больше 14 эВ, кристаллы фторида лития нечувствительны к видимому свету, что позволяет их облучать без фильтров, в отличие от ПЗС детекторов и рентгеновских пленок В результате можно уменьшать время экспозиции, поскольку не происходит ослабление полезного рентгеновского потока Раздел 313 содержит схему считывания люминесцентных структур с кристаллов ЬР (рис 8) В разделе 3 1 4 были проведены эксперименты по исследованию зависимости процесса формирования ЦО (колоризации) в кристаллах фторида лития от дозы облучения Полученные зависимости имеют практически линейный вид для импульсов длительностью 1 пс и 60 фс, что является их существенным преимуществом по сравнению с рентгеновскими пленками

Флюоресцентный

микроскоп

Длина волны, мкм

Излучение накачки

Фильтр 1

07

Длина волны, мкм Фильтр 2

Излучение люминесценции

Облученный образец ЬР

Рис 8 Схема считывания изображения с кристалла фторида лития Далее в разделе 315 приводятся экспериментальные изображения различных тестовых объектов, записанные на кристаллах ЬР Например, на рис 9 показано люминесцентное изображение биологического образца (крыло стрекозы), записанное на ПЗС детектор с различным оптическим увеличением Эти изображения имеют субмикронное (до 600 нм) пространственное разрешение на всем поле зрения объекта, что значительно превышает значение пространственного разрешения 2 мкм, которое можно получить, используя рентгеновские пленки или ПЗС детекторы Недостатками ЬР детектора по сравнению с ПЗС матрицами являются меньший динамический диапазон и невозможность получать изображения непосредственно в процессе облучения Однако, огромным преимуществом ЬР кристаллов перед ПЗС детекторами является их большая рабочая поверхность, что позволяет получать изображения очень больших (до нескольких см2) предметов, если они освещаются ненаправленным источником, излучающим в полный телесный угол 4тт, как, например, лазерная плазма

Рис. 9. Изображение крыла насекомого Pyrrhesoma nymphula,

полученное на LiF детекторе: а - визуализированное в большом поле зрения с помощью стандартного флюоресцентного микроскопа с увеличением 5х; 6 - увеличенный участок изображения, полученный в конфокальном микроскопе с увеличением 40"; в - Денсито-грамма, показывающая, что фактическое разрешение изображение ограничивается пределом пространственного разрешения используемого микроскопа

Результаты экспериментов по радиографии нанопленок с использованием ФЛП в качестве источника освещения и кристаллов LiF в качестве детектора мягких рентгеновских изображений содержатся в разделе 3.2. Для демонстрации высокой чувствительности излучения ФЛП к изменениям толщины и химического состава исследуемого объекта были подготовлены два тестовых образца. Один из них состоял из четырех участков, покрытых слоями серебра толщиной 5, 10, 15 и 20 нм (рис. 10,а), нанесенных на париленовую подложку толщиной 100 нм. На другом образце, изготовленном тем же методом, были нанесены четыре сектора с одинаковой толщиной 20 нм, которые состояли из различных металлов: AI, Си, Ад и Аи. Эти образцы устанавливались на расстоянии 30 см от ФЛП источника так, чтобы их поверхность была равномерно освещена. Кристаллы LiF располагались непосредственно за образцом, время экспозиции составило около 10 тысяч выстрелов лазера (-15 мин).

На рис. 10,6 показан увеличенное изображение однокомпонентного образца (Ад, сетка, которую видно на изображениях, используется для поддержки очень тонких пленок), которое имеет четкий контраст между слоями различной толщины (см. рис. 10,в,г). В разделе 3.2.1 продемонстрировано, что, зная спектр излучения плазмы, можно точно измерить толщину пленки по полученным изображениям, предполагая, что состав пленки известен (см. также статью Calegari F., et al. Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. 111122). В разделе 3.2.2 с помощью изображения, полученного в представленной системе, были точно определены металлы, входящие в состав пленки толщиной 20 нм [10-11]. Проведенные в разделе 3.2 измерения демонстрируют, что без определения параметров плазмы, изображения предметов позволяют лишь качественно изучить структуру исследуемого объекта, тогда как применение теоретических методов исследования плазмы позволяет проводить количественный анализ, увеличивая, таким образом, количество информации, которое можно извлечь из зарегистрированных изображений.

Рис. 10. Определение толщины образца с помощью МРИ изображений: а - изображение серебряной пленки с переменной толщиной от 5 до 20 нм с шагом 5 нм; 6- увеличенное изображение центральной части пленки; в,г - профиль интенсивности около скачка толщины пленки от 10 до 15 нм и от 5 до 20 нм соответственно. Пунктирная линия - расчетное значение интенсивности излучения, прошедшего через серебряную пленку (для спектра, показанного на рис. 7)

В четвертой главе исследован метод получения фазово-контрастных изображений различных объектов с помощью полихроматического излучения ФЛП в мягком рентгеновском диапазоне. Толчком к созданию рентгенооптических систем, реализующих методы фазового контраста, послужило появление источников рентгеновского излучения, обладающих временной или пространственной когерентностью (подробнее в Paganin D.M. Coherent X-ray Optics. - Oxford University Press, 2006). Благодаря методам фазового-контраста качество изображений полупрозрачных для излучения предметов, например, нанопленок может быть значительно улучшено за счет того, что практически все материалы гораздо эффективнее (в 10 - 1000 раз) изменяют фазу волны, чем поглощают ее. Таким образом, появляется возможность исследования тонких объектов с низкими атомными номерами Z, а также объектов, имеющих незначительные изменения толщины или плотности по сравнению с остальной частью образца (см. раздел 4.1). Например, на рис. 11,а,б показано изображение париленовой пленки с участками, имеющими толщину 100 нм и 200 нм (перекрывание двух слоев). Изображение записано на кристалл LiF при облучении пленки МРИ тефлоновой плазмы, генерируемой лазерными импульсами длительностью 1 пс и энергией 120 мДж за время порядка 20 мин [12]. Разница в поглощении излучения между 100 нм и 200 нм парилена меньше 1%, поэтому на контактном изображении (рис. 11,а) перекрывание двух слоев пленки трудно различить. С другой стороны, при размещении кристалла LiF на расстоянии 3 мм за плоскостью пленки (рис. 11,6) вокруг границ неоднородностей появляются темные полосы, благодаря чему становятся заметными перекрывание слоев, отверстия в фильтре, а также улучшается видимость точечных неоднородностей, трещин и прочих особенностей поверхности, которых практически не было заметно на контактном изображении.

Таким образом, свободное распространение волны за плоскостью образца привело к улучшению контраста изображения. Это явление называется

распространительным фазовым контрастом (РФК). В теории доказывается, что для создания РФК можно использовать полихроматическое излучение, однако, такое излучение обязательно должно быть пространственно когерентным. Экспериментально это было продемонстрировано для жесткого рентгеновского излучения микрофокусного источника в работе, опубликованной в журнале Nature (Wilkins S.l/Vef а/. Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays. Nature. 1996. V. 384. P. 335-338).

Координата(мкм)

Рис. 11. Улучшение видимости деталей объекта за счет распространительного фазового контраста (рисунки б, г, е) на примере поврежденного участка париленовой пленки толщиной 100 нм: а - контактное изображение; б - фазово-контрастное изображение, полученное на кристалле LiF, размещенном на расстоянии 3 мм от пленки; в, г - профили интенсивности на границе раздела пленка-вакуум, экспериментальные значения отмечены сплошными линями, а расчетные - пунктирными; д, е - расчетные изображения для модельного образца, содержащего отверстие и участок с удвоенной толщиной (оба элемента имеют прямоугольную форму)

Чтобы убедиться, что причиной улучшения контраста в изображении, показанном на рис. 11,6, является РФК, в разделе 4.2. было проведено моделирование экспериментальных изображений (см. рис. 11Де). Расчет с использованием дифракционного интеграла Релея-Зоммерфельда (Goodman J.W. Introduction to Fourier Optics - NY: McGraw-Hill, 1996. P. 46) также показывает улучшение контраста благодаря появлению минимумов и максимумов на профиле интенсивности вблизи границы скачка толщины объекта, (рис. 11,в,г). Используя определение контраста, предложенное Майкельсоном (V=(lmax-lmin)/(lmax+lmm)), получим, например, что контраст участка изображения, содержащего перекрывание двух слоев пленки, улучшился в три раза.

Поскольку пространственная когерентность излучения является основным требованием для получения РФК изображений, в разделе 4.3 была измерена длина

пространственной когерентности мягкого рентгеновского излучения ФЛП источника с помощью дифракционных полос, полученных на изображениях непрозрачных предметов с резким краем (рис. 12,а,в), и численного решения дифракционного интеграла [13]. Размер и форма источника, использовавшиеся в моделировании дифракционных полос (см. рис. 12,б,г), отлично согласуются с рентгеноспектральными измерениями. Согласно теореме Ван-Циттера-Цернике (Борн М., Вольф Э. Основы оптики, 2-е издание. - М: Наука, 1973. С. 466), на расстоянии 30 см от ФЛП источника размер области, освещаемой когерентно, составил duos = 2 мкм. Как было показано выше, этого значения достаточно для получения дифракционно-улучшенных изображений, т.е. изображений с улучшенной видимостью деталей объекта за счет появления дифракционных полос на их границах. Стоит также отметить, что пространственная когерентность излучения источника порядка 1 мкм позволяет использовать его даже в экспериментах по томографии (подробнее в Laperle С. М., et al. С. Propagation based differential phase contrast imaging and tomography of murine tissue with a laser plasma x-ray source. Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. 173901).

Рис. 12. Измерение размера и пространственной когерентности

ФЛП источника с помощью дифракции на краю проволочки: а - изображение перекрестия, полученное при расстоянии zd ~ 0 мм между детектором и образцом; б -соответствующий профиль интенсивности на границе раздела проволочка-вакуум; в - дифракционное изображение перекрестия, полученное при расстоянии = 3 мм, видно появление белых полос на краях проволочек; г - измеренный (сплошная линия) и рассчитанный (пунктир) профили интенсивности в дифракционном изображении

В заключительном разделе 4.4 коротко обсуждаются возможности практического применения исследованного ФЛП источника. Основными его достоинствами являются большой рентгеновский поток и уникальный спектральный диапазон, позволяющий использовать источник для радиографии и микроскопии объектов, исследование которых с использованием традиционных источников излучения было затруднено. Недостатком является достаточно большое количество шумов, создаваемых таким источником: быстрые заряженные частицы, гамма кванты, распыленный материал мишени. Одним из вариантов практического применения ФЛП источника может быть контроль качества в изготовлении пленок толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Ограничением на

максимальную толщину исследуемого объекта является глубина проникновения рентгеновского излучения в вещество, которая для спектрального диапазона источника Л=10 А не превышает нескольких десятков микрометров С другой стороны, благодаря пространственной когерентности ФПГ! источника, появляется возможность исследовать объекты толщиной менее 1 нм с использованием метода РФК

III ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработан метод выделения спектральных линий многозарядных ионов из сильно зашумленных рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы, который применялся для обработки рентгеноспекгральных данных, полученных в экспериментах на различных экспериментальных установках

2 Измерены рентгеновские спектры многозарядных ионов тефлона (спектральный диапазон от 14,1-16,2 А), алюминия (7,1-8,1 А) и железа (14,1-16,2 А), образующихся в плазме при нагреве мишени лазерными импульсами низкого контраста с длительностью от 60 фсдо 2 пс и энергией от 15 до 128 мДж

3 Показано, что при нагреве тефлоновой мишени импульсами низкого контраста с длительностью 1 пс и энергией 128 мДж эффективность конверсии лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение в диапазоне длин 10-40 А достигает 1 % При этом рентгеновский поток в некоторых резонансных линиях составляет 1,6 1011 фотон/ср за один выстрел, а пиковая яркость может иметь значение Впик=7,0 1023 фотон/(с мкм2 ср 0,1%СД)

4 Излучение плазмы, генерируемой при нагреве тефлоновой мишени лазерными импульсами низкого контраста с длительностью 1 пс и энергией 128 мДж, использовалось для абсорбционной радиографии нанопленок толщиной от 5 нм до 1 мкм, состоящих из парилена, А1, Си, Ад, Аи Изображения нанопленок, зарегистрированные на кристаллах № с субмикрометровым разрешением, позволяют различить изменения в толщине (= нескольких нм) или материале образца Более того, при известном спектре излучения плазмы возможно точно определить толщину или элементный состав образца, что продемонстрировано на соотвествующих примерах

5 Измерена пространственная когерентность мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы при различных экспериментальных условиях Максимальное значение пространственной когерентности составило 2 мкм, что является очень хорошим значением для когерентных рентгеновских источников лабораторного размера

6 Были получены фазово-контрастные изображения микро и наноструктур в мягком рентгеновском излучении фемтосекундной лазерной плазмы Экспериментальные результаты и моделирование контактных и фазово-контрастных изображений показывают, что по сравнению с контактными абсорбционными

19

фазово-контрастные изображения позволяют улучшить визуальное восприятие деталей объекта за счет появления темных полос вдоль границ неоднородностей, при этом контраст изображений полупрозрачных для излучения предметов возрастает в несколько раз

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1 Гасилов С В, Калегари Ф, Нисоли M, Стажира С, Фавнов А Я Применение методов удаления паразитных пиков для рентгеновских спектров, излучаемых фемтосекундной лазерной плазмой // Тезисы докладов XXXIV Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 12-16 февраля 2007 г - M ЗАО НТЦ "ПЛАЗМАИОФАН", 2007 С 125

2 Гасилов С В, Фаенов А Я Удаление паразитных пиков из рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы // XXIII Международная конференция "Уравнения состояния вещества" 1-6 марта 2007 г п Эльбрус Кабардино-Балкарская республика Россия Сб статей С 49-51

3 Gasilov S V, Faeriov А У а, Pikuz Т А, Villoresi Р, Poletto L, Stagira S, Calegan F, Vozzi С and Nisoli M Extracting ion émission lines from femtosecond-laser plasma x-ray spectra heavily contaminated by spikes//J App Phys 2007 V 102 063303

4 Г асилов С В, Мажукин В И, Фаенов А Я, Пикуз ТА , Калегари Ф, Стажира С, Нисоли M Повышение отношения сигнал-шум при регистрации рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы с помощью алгоритма среднее-медиана" // Приборы и техника эксперимента 2007 № 6 С 50-58

5 Гасилов С В, Фаенов А Я Выделение линий излучения многозарядных ионов на фоне сильно зашумленного спектра фемтосекундной лазерной плазмы II Приборы и техника эксперимента 2008 №2 С 1-9

6 Фаенов А Я, Магунов А И, Пикуз Т А , Скобелев И Ю, Джулиетти Д, Бетти С, Галимберти M, Гамуччи А , Джулиетти А, Гицци ПА, Лабате Л, Левато 7", Томаззини П, Маркез ДжР, Боргеос И, Чекотти Т, Монот П, Реау Ф, Попеску X, Д Оливейра П, Мартин Ф, Фукуда Ю, Болдарев АС, Гасилов С В, Гасилов В А Рентгеноспектральная диагностика ультракороткого лазерно-кластерного взаимодействия на этапе неадиабатического разлета кластеров II Письма в ЖЭТФ 2007 Т 86 С 178-183

7 Faenov A Ya, Pikuz ТА , Skobelev I Yu, Gasilov S V, Magunov Al, Stagira S, Calegan F, Benedetti E, Sansone G, Vozzi С, Nisoli M, De Silvestn S, Poleto L, Villoresi P, Andreev A A X-Ray spectroscopy observation of fast multicharged ions generated by short low-contrast laser puise irradiation of solid targets // Laser and Particle Beams 2007 V 25, P 267-275

8 Palchan T, Hens Z, Faenov A Ya, Magunov AI, Pikuz S A, Gasilov S V, Skobelev I Yu and Zigler A Generation of fast ions by an efficient coupling of high power laser into snow nanotubes//Appl Phys Lett 2007 V 91,251501

9 Faenov A Ya, Magunov Al, Pikuz ТА, Skobelev lYu, Giuhetti D, Betti S, Gahmberti M, Gamucci A, Giuhetti A, Gizzi L A, Labate L, Levato T, Tomassim P, Marques JR, Bourgeois N, Dobosz-Dufrenoy S, Ceccoti T, Monot P, Reau F, Popoescu H, D' Oliveira P, Martin Ph, Fukuda Y, Boldarev AS, Gasilov SV, Gasilov V A Non-adiabatic cluster expansion after ultrashort laser interaction II Laser and Particle Beam 2008 V 26, issue 1, P 69-82

10 Calegan F, Valentin/ G, Vozzi С, Benedetti E, Cabamllas-Gonzalez J, Faenov A Ya, Gasilov S V, Pikuz ТА, Poletto L, Sansone G, Villoresi P, Nisoli M, De Silvestn S and Stagira S Elemental sensitivity in soft x-ray imaging with a laser-plasma source and a color center detector//Opt Lett 2007 V 32, P 2593-2595

11 Гасилов С В Исследование элементного состава нанопленок с помощью мягкого рентгеновского излучения ультракороткой лазерной плазмы // 50-я научная конференция МФТИ 23-27 ноября 2007 г Москва Сб статей С 144

12 Гасилов СВ, Фаенов АЯ, Пикуз ТА, Скобелев ИЮ, Калегари Ф, Воцци К, Нисоли М, Сансоне Д, Валентини Д, Де Силвестри С, Стажира С Формирование фазово-контрастных изображений наноструктур мягким рентгеновским излучением фемтосекундной лазерной плазмы // Письма в ЖЭТФ 2008 Т 87 С 286-290

13 Гасилов СВ, Фавнов АЯ, Пикуз ТА, Калегари Ф, Стажира С, Воцци К, Нисоли М Исследование пространственной когерентности мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы и его использование для получения фазово-контрастных изображений II XXIII Международная конференция "Уравнения состояния вещества* 1-6 марта 2008 г п Эльбрус Кабардино-Балкарская республика Россия Сб статей С 199-202

ГАСИЛОВ Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНОСТРУКТУР

Автореферат

Подписано в печать 03 09 08 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч -изд л 1 38 Уел -печ л 1 27

Тираж 100 экз Заказ N143 Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул , д 13, стр 2

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Экспериментальное исследование сильно зашумленных рентгеновских спектров, излучаемых фемтосекундной лазерной плазмой

1.1. ТкСапфпровыи лазер с модулированным усилением импульса

1.2. Рентгеновский спектрограф на основе сферически изогнутых кристаллов для диагностики сверхбыстрой лазерной плазмы

1.3. Удаление шумов из рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы.

1.3.1. Обзор методов удаления шумов из сигналов, записанных с помощью ПЗС детектора.

1.3.2. Особенности формирования помех в рентгеновских спектрах ФЛП.

1.4. Улучшение отношения сигнал/шум в рентгеновских спектрах ФЛП с помощью алгоритма "Среднее-медиана"

1.4.1. Тестирование метода с модельными спектрами.

1.4.2. Применение метода для обработки экспериментальных спектров.

Основные результаты первой главы

ГЛАВА 2. Исследование источника мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы

2.1. Спектральная яркость рентгеновских источников излучения . 46 2.1.1. Измерение спектральной яркости субпикосекундной лазерной плазмы.

2.2. Экспериментальные рентгеновские спектры многозарядных ионов фтора в диапазоне 14.2-16.1 А при различных параметрах лазерного импульса.,.

2.2.1. Спектральная яркость линии фтора.

2.2.2. Моделирование спектральных линий фтора. Определение температуры и плотности электронов.

2.2.3. Наблюдение быстрых ионов в фемтосекупдпой лазерной плазме.

2.2.4. Полный спектр излучения фемтосекундной лазерной плазмы. Спектральная яркость тефлоповой плазмы.

2.3. Параметры ФЛП источника при использованием металлических мишеней. L-спектры алюминия и железа.

2.3.1. ФЛП железной мишени.

2.3.2. ФЛП алюминиевой мишени.•.

2.4. Сравнение характеристик ФЛП и других источников мягкого рентгеновского излучения.

Основные результаты второй главы

ГЛАВА 3. Использование фемтосекундной лазерной плазмы, образующейся на поверхности тефлоной мишепи, для абсорбционной радиографии нанопленок.

3.1. Детектор мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы на основе кристаллов фторида лития.

3.1.1. Требования к детекторам, используемым для записи двухмерных рентгеновских изображении.

3.1.2. Механизм формирования мягких рентгеновских изображений па кристаллах фторида лития.

3.1.3. Запись и считывание двухмерных изображении с кристаллов LiF.

3.1.4. Динамический диапазон и квантовая эффективность.

3.1.5. Определение пространственного разрешения LiF детектора па примере записанных изображений.

3.2. Исследование структуры и элементного состава наноплеиок с помощью ФЛП источника и детектора на основе кристаллов LiF.

3.2.1. Определение толщины наноплепки с помощью МРИ изображений.

3.2.2. Чувствительность МРИ изображений к материалу панопленок. . 97 Основные результаты третьей главы

ГЛАВА 4. Абсорбционная и фазово-коптрастпая радиография микро и нанообъектов с использованием мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы

4.1. Получение изображений прозрачных для мягкого рентгеновского излучения объектов.

4.1.1. Абсорбционный контраст изображений.

4.1.2. Фазовый контраст изображений. Распространительный фазовый контраст.

4.2. Моделирование экспериментальных изображений.

4.2.1. Распространение мягкого рентгеновского излучения после прохождения через исследуемый предмет.

4.2.2. Сравнение экспериментальных и расчетных изображений.

4.3. Измерение размера ФЛП источника с помощью явления дифракции. Пространственная когерентность ФЛП источника

4.3.1. Моделирование дифракционных полос.

4.3.2. Размер пространственной когерентности ФЛП источника.

4.4. Достоинства, недостатки и область применения метода РФК с использованием мягкого рентгеновского излучения ФЛП для освещения объектов.

Основные результаты четвертой главы

Создание импульсных лазеров с длительностью импульса от наносекунд до фемтосекунд и увеличением интенсивности лазерного излучения до 1019 — 1022 Вт/см2 п более [1, 2] открывает новые возможности в развитии исследований по таким фундаментальным проблемам, как физика высокотемпературной плазмы многозарядных ионов [3, 4, 5], взаимодействие свсрхннтепсивпых световых полей с веществом [6, 7, 8, 9], физика пепдеальпой плотной плазмы [10, 11], создание рентгеновских лазеров па плазме мпогозарядпых ионов [12, 13], для решения важных прикладных задач, связанных с ускорением ионов [14, 15, 16], протонов [17, 18] п электронов [19, 20], созданием источников характеристического рентгеновского излучения [21,22], а также мягкого рентгеновского излучения [23] для микролитографии [24] и микроскопии объектов [25]. В свою очередь, это поставило в последние годы новые задачи по созданию измерительной аппаратуры, обеспечивающей исследование параметров плазменных сред, находящихся под воздействием высоких температур и давлении, а также сверхсильных магнитных полей и электронных пучков. Экстремальные условия образования плотной высокотемпературной плазмы приводят к тому, что плазма становится пространственно неоднородной, а процессы ее развития и распада характеризуются сложными, в том числе нестационарными, явлениями. Такая плазма характеризуется электронной температурой Те > 100 эВ и состоит, в основном, из многозарядных ионов с кратностью ионизации z; > 5 и потенциалами ионизации Ei > 0.5 кэВ, спектры излучения которых лежат в спектральном диапазоне меньше 20 Л (линии Н- , Не-, Li-, Ne-подобных ионов) [26]. Эффективная генерация МРИ является одним из наиболее интересных свойств ФЛП.

Вообще говоря, способы получения и возможности применения излучения в мягком рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра, в котором длины волн и энергии фотонов имеют порядок 10-100 Л и энергию 0.1-1 кэВ, еще не достаточно хорошо изучены. Причиной этому являлось отсутствие интенсивных точечных источников такого излучения. На протяжении последних 20 лет было показано, что лазерная плазма является очень ярким точечным источником рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий от 0.1 до 30 кэВ в зависимости от используемого лазера и мишени (см., например, [27,28,29]).

На рис. 1 показаны разделы прикладных и теоретических исследований, где использование мягкого рентгеновского излучения (МРИ) может принести существенную пользу. Следует отметить, что будучи новыми в пауке, эти исследования отражают недавние прорывы в технологии. Например, использование ВУФ в технологиях производства микрочипов позволило совершить переход к изготовлению новых процессоров с числом транзисторов, достигающим сотен миллионов, и 4-ех гигабайтных микрочипов памяти. Дальнейший прогресс возможен только с уменьшением длины волны излучения вплоть до мягкого рентгеновского диапазона (>50 эВ) и уже сейчас существую работы, посвященные применению ФЛП источника для изготовления деталей п структур микро- и наноразмера [30].

Среди многочисленных практических применений мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы, пожалуй, наиболее важными являются рентгеновская радиография и микроскопия микро и нанообъктов. Дело в том, что ФЛП является компактным лабораторным источников МРИ спектрального диапазона, закрывая разрыв между оптической микроскопией и традиционной рентгеновской радиографией [31]. В частности, мягкое рентгеновское или вакуумное ультрафиолетовое излучение наилучшим образом подходит для получения изображений сверхтонких пленок, микро п нанообъектов, потому что оно достаточно эффективно абсорбируется даже несколькими нанометрами большинства материалов [32]. Благодаря зависимости поглощения МРИ от толщины и химического состава исследуемого объекта, неравномерности в толщине или примеси в пленках нанометровой толщины могут быть легко обнаружены простым облучением образца излучением источника МРИ на

Рис. 1. Примеры практического применения МРИ. основе фемтосекупдпой лазерной плазмы [33,34].

Контраст и пространственное разрешение изображений таких объектов во многом будет определяться динамическим диапазоном и пространственным разрешением детектора рентгеновского излучения, используемого для получения изображения [35]. Для регистрации двухмерных изображений до сих пор наиболее распространены традиционные рентгеновские пленки в силу их дешевизны, достаточно высокого пространственного разрешения. Однако, они имеют низкий динамический диапазон, нелинейную зависимость от энергии фотона, и на них можно записывать изображение лишь один раз. Кроме того, они обладают очень высокой чувствительностью к видимому излучению и требуют применения фильтров для его отсечения. Наличие таких фильтров резко снижает количество фотонов вакуумного ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения, достигающих поверхности рентгеновской пленки.

Детекторы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС детекторы) также широко используются в настоящее время для регистрации рентгеновских фотонов [36, 37]. Данные вид детекторов имеет много достоинств, среди которых можно выделить высокую чувствительность, достаточно большое пространственное разрешение и возможность практически моментально считывать записанный сигнал. Однако, пространственное разрешение ПЗС детектора ограничено для самых современных моделей 4 мкм. Поэтому для увеличения пространственного разрешения двухмерных изображений необходимо использовать рентгеновскую оптику для увеличения размера изображения. При этом всегда уменьшается количество рентгеновских фотонов, достигающих детектора, и приходится увеличивать время записи изображений. Кроме того, ПЗС матрицы, так же как и пленки, чувствительны к видимому излучению и требуют использование фильтров.

Благодаря возможности считывать зарегистрированный сигнал в реальном масштабе времени, ПЗС детекторы очень удобно использовать, например, для регистрации спектров рентгеновского излучения, изображений плазмы в каждой вспышке лазерного излучения. При этом можно получать спектры, а следовательно определять параметры плазмы, прямо во время эксперимента. Однако, данные детекторы сильно подвержены воздействию шумов. Фемтосекундпая лазерная плазма (ФЛП) является мощным источником быстрых ионов, электронов и гамма квантов, которые вызывают сильные помехи при попадании на поверхность ПЗС матрицы, поэтому зачастую форма и амплитуда спектральных линий бывают сильно искажены [38]. В связи с этим возникает проблема улучшения отношения сигнал/шум (удаления шумов из сигналов, записанных ПЗС детекторами). Решение этой проблемы важно как для повышения точности методов диагностики плазмы, нагреваемой фемтосекуидным лазерным излучением, так и для повышения качества изображений, зарегистрированных с помощью ПЗС детекторов.

Из всего вышесказанного следует, что в настоящее время нет универсальных детекторов ВУФ и МРИ, обладающих субмикронным разрешением и нечувствительных к видимому излучению. Таким образом, разработка дешевого, простого детектора мягкого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением, простой процедурой считывания и возможностью повторного использования представляет собой важную практическую задачу.

Часто необходимо получить изображения практически прозрачных для излучения объектов. Это могут быть очень топкие объекты, объекты, состоящие из материалов с низкой плотностью (полимеры), или биологические образцы. В таких случаях, когда объект практически не поглощает излучение, контраст изображений может быть получен с помощью методов фазового контраста [39,40]. Раздел современной науки, который занимается изучением оптических систем, реализующих методы фазового контраста с использованием рентгеновских источников освещения, называется когерентной рентгеновской оптикой [41]. Эта дисциплина появилась всего порядка десяти лет назад, что связано с созданием рентгеновских источников, обладающих пространственной и временной когерентностью. Методы фазового контраста имеют множество преимуществ перед традиционной радиографией - возможность снизить дозу облучения предмета практически до нуля [42], значительно большая чувствительность, и, как следствие, возможность исследования очень тонких материалов или материалов с низкими атомными номерами.

Каждый из методов фазового контраста имеет свои достоинства п недостатки, кроме того, существуют определенные условия, необходимые для их реализации. Метод распространительного фазового контраста не требует ппкаких рентгенооитических элементов, и, таким образом, прост в практической реализации. Однако, для того, чтобы изменения фазы могли быть зарегистрированы в плоскости детектора, необходим источник с достаточно высокой пространственной когерентностью [43]. До недавнего времени единственными такими источниками были синхротроны - сложные и дорогие установки огромных размеров. Появление сверхинтенсивных и сверхбыстрых лабораторных лазерных установок сделало возможным разработку компактных когерентных источников рентгеновского излучения на основе сверхбыстрой лазерной плазмы [44].

Цель и задачи работы

Цель данной работы состоит в проведении фундаментальных п прикладных исследований в области взаимодействия сверхинтеисивного сверхкороткого лазерного излучения с веществом.

Основными задачами, которые были поставлены в ходе исследований, являются: экспериментальное исследование генерации мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы, оптимизация выхода мягкого рентгеновского излучения из такой плазмы и его использование для абсорбционной и фазово-контрастной радиографии микро и напообъектов.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод для выделения линий излучения многозарядпых ионов на фоне сильно зашумлеппых рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы, регистрируемых с помощью детекторов на основе приборов с зарядовой связью.

2. Проведена оптимизация прострапствсппо-спсктральных характеристик образующейся фемтосекундной лазерной плазмы, позволившая разработать высокоинтенсивный точечный источник излучения для радиографии микро и напообъектов в мягком рентгеновском диапазоне длин волн. Выполнены измерения пространственной когерентности такого источника.

3. Разработан новый метод получения изображений микро и нанообъектов с использованием в качестве детектора рентгеновского излучения кристаллов фторида лития (LiF), а в качестве источника освещения фемтосекундной лазерной плазмы. Продемонстрирована возможность регистрации изображений различных объектов с субмикроппым пространственным разрешением п полем зрения в несколько квадратных сантиметров

4. Предложены п реализованы методы по определению неоднородностей в толщине и составе панопленок (пленок с толщиной от нескольких нм до нескольких мкм). Для повышения точности измерения неоднородностей в толщине и плотности панопленок оптимизирован метод распространительного фазового контраста с использованием в качестве источника освещения плазмы, нагреваемой фемтосекундпыми лазерными импульсами.

Научная и практическая ценность работы.

Разработанный метод для удаления шумов из сигналов, записанных с помощью ПЗС детектора, может быть использован для улучшения отношения снгнал/шум при регистрации рентгеновских спектров ФЛП (а в некоторых случаях для обнаружения спектральных линий, полностью скрытых шумами), таким образом позволяя более точно проводить диагностику параметров плазмы, образующейся при воздействии сверхинтепсивпых сверхкоротких лазерных импульсов на вещество. Экспериментально измеренные и обработанные рентгеновские спектры излучения ФЛП для различных материалов мишени и параметров лазерного пучка могут применяться не только для определения яркости, спектра излучения и размера источника, но и для тестирования новых теоретических моделей формирования спектров многозарядных ионов в нестационарной плазме нагреваемой сверхинтенсивным лазерным излучением. Применение разработанного компактного источника МРИ для изучения внутренней структуры микро и нанообъектов позволяет проводить измерения, которые невозможно реализовать с помощью традиционной рентгеновской радиографии: исследовать очень тонкие объекты (пленки с толщиной порядка нескольких им), материалы с низкими плотностями (полимеры) и биологические образцы. Разработанные и использованные в работе детекторы на основе кристаллов LiF пе чувствительны к видимому и слабо чувствительны к жесткому рентгеновскому излучению. Этот детектор имеет высокий динамический диапазон, большую площадь для записи сигнала и может регистрировать рентгеновские изображения с субмпкронным пространственным разрешением и высоким контрастом, что позволяет его использовать в различных областях науки и техники. При использовании LiF детектора в оптической системе с источником освещения на основе фемтосекундноп лазерной плазмы можно реализовать метод для практического определения качества нанопленок. Кроме того, как было продемонстрировано в настоящей работе, благодаря небольшим размерам и, как следствие, частичной пространственной когерентности, источник мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундноп лазерной плазмы может использоваться для получения изображений с помощью метода распространительного фазового контраста, что позволяет исследовать более широкий круг наноструктур и нанопленок.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработка метода выделения спектральных линий многозарядных ионов из сильно зашумленных пикообразными помехами рентгеновских спектров фемтосскундной лазерной плазмы. Анализируя серию зарегистрированных спектров (от 5 штук), метод удаляет паразитные пики любой амплитуды и ширины из каждого спектра, отличая их от узких спектральных линий, а также линий, по амплитуде сравнимых с величиной помех. Эффективность работы метода ограничена только сильными колебанияiv[и в интенсивности сигнала из плазмы и числом поврежденных точек па каждом спектре ( ~ 10-12% от общего числа пикселей).

2. Исследование зависимостей излучения рентгеновских спектров многозарядных ионов F, А1 и Fe от условий возбуждения плазмы, образующейся под воздействием лазерных импульсов различной длительности (тимп^бО-ЮОО фс) и энергии (.Еимп—15-120 мДж), позволившее разработать высокоинтенсивный точечный источник излучения для радиографии микро и напобъектов в мягком рентгеновском диапазоне длин волн (10-100 А) с эффективностью преобразования лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение не менее 1%. При этом в отдельных спектральных линиях указанного диапазона рентгеновский поток источника превышает 1011 фотон/ср за один выстрел.

3. Разработка и экспериментальное использование детектора рентгеновского излучения на основе кристаллов фторида лития для регистрации двухмерных рентгеновских изображений наноструктур и наноплепок с субмикроиным пространственным разрешением и изучение дифракции рентгеновских лучей.

4. Измерение пространственной когерентности источника мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы и его использование в когерентной оптической системе, реализующей метод распространительного фазового контраста для регистрации изображений наноструктур.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, были апробированы автором в устных и стендовых докладах на международной конференции International Workshop - Emerging Sources, 2007 (Lund, Sweden); XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2007 (Московская обл., Россия); "Воздействие интенсивных потоков на вещество", 2007, 2008 (Эльбрус, Каб.-Балк. респ.); XII Всероссийской конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы", 2007 (Звенигород, Россия); Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)/Europe 2007 (Munich, Germany); V Российском симпозиуме "Проблемы физики ультракоротких процессов в силыюперавновесных средах", 2007 (Новый Афон, Каб.-Балк. респ.); 50-ой Научной конференции МФТИ 2007 (Москва, Россия); 6th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and Their Interaction with Electromagnetic Radiation, 2008 (Moscow, Russia), International Conference "Laser Optics 2008", 2008 (St.Petersburg, Russia); бой Российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравповеспых средах» 2008, Новый Афон, Абхазия.

Публикации.

По материалам диссертации опубликованы 9 статен в реферируемых журналах [14,34,38,68,69,74,75,76,125], семь из которых входят в список ВАК, и 4 статьи в сборниках трудов конференций [70,71,111,126].

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, всего 136 страниц, включая 51 рисунок и библиографию из 131 наименования.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан метод выделеппя спектральных линий многозарядных ионов из сильно зашумленных рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы, который применялся для обработки рентгеноспектральных данных, полученных в экспериментах на различных экспериментальных установках.

2. Измерены рентгеновские спектры многозарядных ионов тефлона (спектральный диапазон от 14.1-16.2 А), алюминия (7.1-8.1 А) и железа (14.1-16.2 А), образующихся в плазме при нагреве мишени лазерными импульсами низкого контраста с длительностью от 60 фс до 2 пс и энергией от 15 до 128 мДж.

3. Показано, что при нагреве тефлоновой мишени импульсами низкого контраста с длительностью 1 пс и энергией 128 мДж эффективность конверсии лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение в диапазоне длин 10-40 А достигает 1 %. При этом рентгеновский поток в некоторых резонансных линиях составляет 1.6 • 1011 фотон/ср за один выстрел, а пиковая яркость может иметь значение Рциковая—1-92 • 1022 фотон / (с • мкм2 • ср • 0.1 %С Д).

4. Излучение плазмы, генерируемой при нагреве тефлоновой мишени лазерными импульсами низкого контраста с длительностью 1 пс и энергией 128 мДж, использовалось для абсорбционной радиографии нанопленок толщиной от 5 нм до 1 мкм, состоящих из парилеиа, Al, Си, Ag, Аи. Изображения нанопленок, зарегистрированные па кристаллах LiF с субмикрометровым разрешением, позволяют различить изменения в толщине 1 нм) или материале образца. Более того, при известном спектре излучения плазмы возможно точно определить толщину пли элементный состав образца, что продемонстрировано на соответствующих примерах.

5. Измерена пространственная когерентность мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы при различных экспериментальных условиях. Максимальное значеппс пространственной когерентности составляло 2 мкм, что является очень хорошим значением для когерентных рентгеновских источников лабораторного размера.

6. Были получены фазово-контрастпые изображения микро и наноструктур в мягком рентгеновском излучении фемтосекундной лазерной плазмы. Экспериментальные результаты и моделирование контактных и фазово-контрастных изображений показывают, что по сравнению с контактными абсорбционными фазово-контрастные изображения позволяют улучшить визуальное восприятие деталей объекта за счет появления темных полос вдоль границ неоднородностей, а также контраст изображений полупрозрачных для излучения предметов в несколько раз.

Благодарности

В завершении данной работы я хотел бы поблагодарить всех людей, которые тем или иным образом внесли свой вклад в ее написание.

Я хочу сказать огромное спасибо моему научному руководителю Анатолию Яковлевичу Фаепову за то, что он руководил моей работой с большой ответственностью и опытом.

Хочу также поблагодарить Татьяну Александровну Пикуз и Игоря Юрьевича Скобелева за их советы и помощь. Кроме того, я очень признателен сотрудникам лаборатории сверхбыстрой и сверхинтенсивной оптики Миланского политехнического института, в особенности, Сальвагоре Стажире и Франческе Калегари за прекрасную рабочую атмосферу и то, чему они научили меня за год.

Большое спасибо Генри Эдгаровичу Норману за ценные практические советы и Владимиру Ивановичу Мажукину за помощь в вопросах, связанных с математическим моделированием.

И, наконец, я благодарю моих родителей и сестру Ирину, без которых я просто не смог бы сделать эту работу.

Заключение

1. G. A. Mourou, Т. Tajima, S.V. Bulanov, Review of Modern Physics, 78, 309 (2006).

2. S.-W. Bahk, P. Rousseau, T. A. Planchon, et al., Opt. Lett. 29, 2837 (2004).

3. M. Tabak et al., Phys. Plasmas 1, 1626 (1994).

4. S. Atzeni and M. Tabak, Plasma Phys. Control. Fusion 47, 769-776 (2005).

5. H. Hora, J. Badziak, M. N. Read, et al. Phys. Plasmas 14, 072701 (2007).

6. S. A. Akhmanov, R. V. Khokhlov, Problemy Nelineinoi Optiki (Problems of Nonlinear Optics), (Moscow, VINITI, 1964).

7. V. V. Korobkin, M. Yu. Romanovskii, Pis'ma v ZETPh, 53, 493-495 (1991).

8. S. V. Bulanov, T. Esirkepov, T. Tajima, Phis. Rev. Lett. 91, 085001 (2003).

9. H. Niikura and P. B. Corkum, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics 54, 511 (2007).

10. В. E. Фортов, Экстремальные состояния вещества на земле и в космосе (Москва, Физматлит, 2008).

11. М. Б. Агранат, Н. Е. Андреев, С. И. Ашитков и др., Письма ЖЭТФ 85, 328-333 (2007).

12. R. С. Elton, X-RAY Lasers (Academic, San-Diego, 1990).

13. H. Daido, Rep. Prog. Phys. 65, 1513-1576 (2002).

14. A. Ya. Faenov, A. I. Magunov, T. A. Pikuz, et al., Laser and Particle Beams 25, 267 (2007).

15. P. В. Волков, В. M. Гордиенко, И. М. Лачко и др., Письма ЖЭТФ 81, 708-711 (2005).

16. М. Borghesi, J. Fuchs, S. V. Bulanov, et al., Fusion Sci. and Tech. 49, 412 (2006).

17. J. Fuchs, P. Antici, E. D'Humieres, et al., Nature Physics 2, 48 (2006).

18. J. A. Cobble, R. P. Johnson, Т. E. Cowan, et al., J. Appl. Phys. 92, 1775 (2002).

19. W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, Nature Physics 2, 696 (2006).

20. H. Ruhl, Y. Sentoku, K. Mima, et al., Phys. Rev. Lett. 82, 743 (1999).

21. I. Uschmann, P. Gibbon, D. Klopfel, et al., Laser and Particle Beams 17, 671 (1999).

22. M. Б. Агранат, H. E. Андреев, С. И. Ашитков и др., Письма ЖЭТФ 83, 80-83 (2006).

23. I. С. Е. Turcu and J. В. Dance, X-Rays from Laser Plasmas Generation and Applications (Wiley, 1998).

24. T. Okuno, Sh. Fujioka, et al., Appl. Phys. Lett. 88, 161502 (2006).

25. W. Chao, B. D. Ilarteneck, et al., Nature Lett,., 435, 1210 (2005).

26. В. А. Бойко, А. В. Виноградов, С. А. Пикуз и др., Итоги науки п техники. Радиотехника том 27. Рентгеновская спектроскопия лазерной плазмы под редакцией академика Н. Г. Басова (Москва, ВИНИТИ, 1980).

27. W. Shaikh, G. Hirst, R. М. Allott, et al. IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics 5, 1522-1525(1999).

28. B. Kim, B. Ahn, D. Lee, et al. Appl. Phys. Lett. 88, 141501 (2006).

29. C. Peth, A. Kalinin, F. Barkusky, et al., Rev. Sci. Instrum. 78, 103509 (2007).

30. I. С. E. Turcu, R. M. Allott, С. M. Mann, et al. J. Vac. Sci. Technol. 15, 2495-2502 (1997).

31. D. Attwood Soft X-rays and, Extreme Ultraviolet Radiation: Principles and Applications (Cambridge University Press, 1999).

32. B.L. Henke, E.M. Gullikson, and J.C. Davis. Atomic Data and Nuclear Data Tables 54, 181-342 (1993).

33. F. Calegari, S. Stagira, et al. Appl. Phys. Lett. 89, 111122 (2006).

34. Calegari F., Valentini G., Vozzi C., et al., Opt. Lett. 32, 2593-2595 (2007).

35. A. Thompson, D. Attwood, E. Gullikson, et al., X-ray data booklet, second edition pp. 4-33-4-39 (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, 2001).

36. J. Dunn, et al., Rev. Sci. Instrum. 66, 706 (1995).

37. F. Blasco, С. Stenz, F. Salin, et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 1956 (2001).

38. S. V. Gasilov, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, et al., J. App. Phys., 102, 063303 (2007)

39. F. Zernike, Physica 9, 686-693 (1942).

40. K. A. Nugent, Т. E. Gnreyev, D. F. Cookson, et al. Phys. Rev. Lett. 77, 2961-2964 (1996).

41. D. M. Paganin, Coherent X-ray optics (Oxford University Press, 2006).

42. S. Marchesini, H. N. Chapman, S. P. Hau-Riege, at al., Opt. Express 11, 2344 (2003).

43. S.W Wilkins, Т.Е. Gureyev, D. Gao, et al., Nature 384, 335-338 (1996).

44. I. С. E. Turcu, I. N. Ross, M. S. Schulz, et ah, J. Appt. Phys. 73, 8081 (1993).

45. T. Biabec and F. Krausz, Rev. Mod. Phys. 72-2, 545 (2000).

46. O. Svelto, Principles of Lasers Fourth edition (Springer, 2004).

47. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Comm. 56, 219 (1985).

48. U. Andiel, K. Eidmann, P. Hakel, et al., Europhys. Lett. 60-6, 861 (2002).

49. A. Klisnick, J. Kuba, D. Ros, et al., Phys. Rev. A 65, 033810 (2002).

50. K.Y. Kim, II. Milchberg, A.Ya. Faenov, et al., Phys. Rev. E 73, 066403 (2006).

51. A.G. Zhidkov, A. Sasaki, T. Tajima, et al., Phys. Rev. E 60, 3273 (1999).

52. S.B. Hansen, K.B. Fournier, R. Shepherd, et al., Phys. Rev. E 72, 0364082005).

53. A. Ya. Faenov, A. I. Magunov, T. A. Pikuz, et al., JETP letters 84, 3692006).

54. O. Renner, I. Uschmann, and E. Forster, et al., Laser and Particle Beams 22, 25-28 (2004).

55. A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, A. I. Erko, et al., Physica Scripta 50, 333 (1994).

56. F. Blasco, C. Stenz, F. Salin, et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 1956-1962, (2001).

57. В. K. F. Young, A. L. Osterheld, D. F. Price, et al., Rev. Sci. Instrum 69, 4049-4053, (1998).

58. P. Lu, A. Satou, M. Miyamoto, and S. Suzuki, Opt. Eng. 46, 043202 (2007).

59. G. Sh. Shin, and M. G. Kang, Opt. Eng. 44, 067002 (2005).

60. Е. Bsdok, Journal of Electronic Imaging. 13, 714 (2004).

61. S. Mirza, R. Kumar, and C. Shakher, Opt. Eng. 44, 045603 (2005).

62. K. J. D. Hillig and M. D. Morris, App. Spectrosc. 36-6, 700 (1982).

63. D. N. Zhang, K. Jallad and D. Ben-Amotz, Appl. Spectrosc. 55-11, 523 (2001).

64. G.R. Phillips and J. M. Harris, Anal. Chem. 62, 2351 (2002).

65. W. Hill and D. Rogalla, Anal. Chem. 64, 257 (1992).

66. Y. Katsumoto and O. Yukihiro, Appl. Spectrosc. 57, 317 (2003).

67. H. Takeuchi, S. Hashimoto and I. Harada, Appl. Spectrosc. 47, 129 (1993).

68. С. В. Гасилов, В. И. Мажукин, А. Я. Фаенов и др., Приборы и техника эксперимента, 6, 1-9 (2007).

69. С. В. Гасилов и А. Я. Фаенов, Приборы и техника эксперимента 2, 1-9 (2008).

70. С. В. Гасилов, Ф. Калегарн, С. Стажира и др., Тезисы XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (М.: ЗАО НТЦ "ПЛАЗМАИОФАН", 2007), с. 125.

71. С. В. Гасилов, В. И. Мажукин, А. Я. Фаенов и др., сборник "Физика экстремального состояния вещества" (Черноголовка, 2007), с 49-51.

72. U. Fano, Phys. Rev. 72, 26 (1947).

73. M.J. May, P. Beiersdorfer, J. Dunn, et al., Astrophysical Journal Suppliment scries. 158, 230 (2005).

74. А. Я. Фаенов, А. И. Магунов, T.A. Пикуз и др., Письма ЖЭТФ 86, 178183 (2007).

75. A.Ya. Faenov, A.I. Magunov, T.A. Pikuz, et al., Laser and Particle Beam 26, 69-82 (2008).

76. T. Palchan, Z. Henis, A. Ya. Faenov, et al., Appl. Phys. Lett. 91, 251501 (2007).

77. Д. С. Ситников. Экспериментальные исследования неиделальной плазмы, образующейся на поверхности металогических мишеней при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов. (Диссертация па соискание ученой степени к.ф.-м.н., Москва, 2008).

78. G. X. Chen, Mon. Not. R. Astron. Soc. 386, 62-66 (2008).

79. E.-E. Koch, D. E. Eastman, and Y. Farge, in Handbook on Synchrotron Radiation, E.-E. Koch, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1983), p. 42.

80. T. Wilhein, D. Altenbernd, U. Teubner, et al., J. Opt. Soc. Am. В 15, 1235 (1998).

81. G. Holzer, O. Wehrhan, J. Heinisch, et al., Physica Scripta 57, 301-309 (1998).

82. C. Wulker, W. Theobald, F. P. Schaefer, and J. S. Bakos, Phys. Rev. E 50, 4920 (1994).

83. A. I. Magunov, A. Ya. Faenov, I. Yu. Skobelev, et al., Laser and Particle Beam 21, 73 (2003).

84. А. Я. Фаенов, А. И. Магунов, Т. А. Пикуз и др., Письма в ЖЭТФ 84, с. 369-374.

85. Жданов С.К., Курнаев В.А., Романовский М.К., Цветков И.В. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках (Москва, МИФИ, 2000).

86. G. Z. Sun, Е. Ott, Y. С. Lee and P. Guzdar, Phys. Fluids 30, 526 (1987).

87. R. Kodama, J. C. Garrison and A. M. Rubenchik, Phys. Rev. Lett. 77, 4906 (1996).

88. A. A. Andreev, J. Limpouch, A.B. Iskakov, et. al, Phys. Rev. E 65, 026403 (2002).

89. А. Гуревич и др., ЖЭТФ 22, 449 (1966).

90. P. Mora, Phys. Rev. Lett. 90, 185002 (2003).

91. K. Estabrook and W. Kruer, Phys. Rev. Lett. 40, 42 (1977).

92. H.-K. Chunga, W.L. Morgan and R.W. Lee, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 81, 107-115 (2003).

93. Я. Б. Зельдович и Ю. П. Райзер, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений издание второе, дополненное, Москва, Наука, (1966).

94. A.B.C. Walker, Jr. R.B. Hoover, P.C. Baker, et al., Conference Record of the 1991 IEEE, Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference 3, 1907-1911 (1991).

95. F. Bonfigli, A. Faenov, F. Flora, et al., Microsc Res Tech. 71, 35-41 (2008).

96. G. Margaritondo, Elements of synchrotron radiation (Oxford University Press, Oxford, 2002).

97. H.P. Freimd and T.M. Antonsen, Principles of free-electron lasers, second edition (Chapman and Hall, London, 1996).

98. Zh. Huang and K.-Je Kim, Phys. Rev. Special Topics 10, 034801 (2007).

99. R. L. Sandberg, et al., Phys. Rev. Lett. 99, 098103 (2007).

100. N. Zhavoronkov, Y. Gritsai, M. Bargheer, et al., Opt. Lett. 30, 1737-1739 (2005).

101. P. Fischer, D.-H. Kim, B. L. Mesler et al., Surface Science 601, 4680-4685 (2007).

102. G. Baldacchini, S. Bollanti, F. Bonfigli, et al. Rev. Sci. Instrum. 76, 1131042005).

103. G. Baldacchini, F. Bonfigli, A. Faenov, et al. J. Nanosci. Nanotechnol. 3, 483 (2003).

104. J. Nahum and D.A. Wiegand, Phys. Rev. 154, 817-830 (1967).

105. R. M. Montereali, M. Piccinini, and E. Burattini, Appl. Phys. Lett. 78, 4082 (2001).

106. E.Nichelatti, F.Bonfigli, A.Faenov, F.Flora, et al., J. Non-Crystalline Solids 351, 1774 1779 (2005).

107. G. Baldacchini, S. Bigot.ta and R. M. Montereali, J. Luminescence 94, 299303 (2001).

108. R.M. Montereali, M.Piccinini, and E.Burattini. Appl. Phys. Lett. 78, 4082 (2001).

109. A. Ustione, A. Cricenti, F. Bonfigli, et al., Appl. Phys. Lett. 88, 1411072006).

110. A. Eishabini-Riad and F.D. Barlow, Thin Thin Film Technology Handbook (McGra-Hill, New-York, 1997), Chap 6.

111. С. В. Гасилов, Труды 50-й научной конференции МФТИ, с. 144 (Москва-Долгопрудный, 2007).

112. A. Snegirev, I. Snegireva, V. Kohn, et al., Rev. Sci. Instrum. 66, 5486-5492 (1995).

113. P. Cloetens, W. Ludwig, J. Baruchel, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 32, 145 (1999).

114. S. Agliozzo, P. Cloetens, J. of Microscopy 216, 62-69 (2004).

115. S. Zabler, P. Cloetens, J.-P. Guigay, et al., Rev. Sci. Instrum. 76, 073705 (2005).

116. T. J. Davis D. Gao, Т. E. Gureyev, et al., Nature 37, 595 (1995).

117. S.C. Mayo, T.J. Davis, Т.Е. Gureyev, et al. Optics Express 11, 2289 (2003).

118. С. M. Laperle, Ph. Wintermeyer, J. R. Wands, et al. Appl. Phys. Lett. 91, 173901 (2007).

119. Goodman J.W., Introduction to Fourier Optics (McGraw-Hill, New York, 1996).

120. J. M. Cowley, Diffraction Physics (North-Holland, Amsterdam, 1975), Sec. 3.4.2.

121. Т. E. Gureyev, S. W. Wilkins, J. Opt. Soc. Am. A 15, 579 (1998).

122. Борн M. и Вольф Э., Основы оптики, 2-е издание (Наука, Москва, 1973).

123. Press W. Н., Teukolsky S. A., Vetterling W. Т. and Flannery В. P., Numerical recipes in С (Cambridge University Press, Cambridge, 1992).

124. D. Boschetto, G. Mourou, A. Rousse, et al., Appl. Phys. Lett. 90, 011106 (2007).

125. С. В. Гасилов, А. Я. Фаенов, Т. А. Пикуз, и др. Письма ЖЭТФ 87, 286-290 (2008).

126. С. В. Гасилов, А. Я. Фаенов и др., сборник "Физика экстремального состояния вещества" (Черноголовка, 2008), с. 199-202.

127. G. Margaritondo and G. Tromba, J. Appl. Phys. 85, 3406-3408 (1999).

128. H. N. Chapman, A. Baity, St. Marchesini, et al., J. Opt. Soc. Am. A 23, 1179 (2006).

129. A. V. Bronnikov, Optics Communications 171 239 (1999).

130. Т. E. Gureyev, S. Mayo, S.W. Wilkins, et al., Phys. Rev. Lett. 86, 5827 (2001).

131. P. Cloetens, et al., Appl. Phys. Lett. 75, 2912 (1999).