Многоквантовые процессы в атомах и двухатомных молекулах в поле излучения мощного неодимового лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

т&тш науе республики тшшж 0Щ2 шашян

РГ6 од

'¡4 ГЦР '

" 1 На правах рукониеи

Ш 535.333.43; 539.1.043; 541.141.?

МСШЩЕРОВАКРМ ФЛЮРОВЩ

МНОШЙВМНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ Б АТОМАХ И ЙВУХАТОШШХ МОЛЕКУЛАХ В ШШ ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНОГО НВ0ДИШВ0Г0 ЛАЗЕРА

«

специальность 31.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тажкент - 19ЭЗ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 535.33&43; 539.1.043; 541.141.7

ИСКАНДЕРОВ АКРАМ «ЛЮРОВИЧ

МНОГОКВАНТОВЫЕ ПРОЦЕСС» В АТОМАХ И ДВУХАТОМНЫХ МОЛЖУЛАХ В ЮЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ КОЩШ) НЕ0ДИЫ030Г0 ЛАЗЕРА

специальность 01.04. 21 - лазеряаяфизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на сомсканш ученой степени кандидата физико-математических тук

Ташпю - 1983

Актуальность темы. Одна из возможностей получения гармоник очень высокого порядка стимулировала дальнейшие исследования нелинейной ионизации атомов с образованием многозарядных ионов. Среди объектов экспериментального изучения особняком стоят атомы.инертных гагов, являющиеся перспективными с этой точки зрения. В то же время все исследования, проводившиеся е инертными газами на частоте неодимового лазера, в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, в ходе которых регистрировались многозарядные ионы, использовали излучение пикосекундной длительности. Связано это было, в частности, с тем, что необходимые высокие значения интенсивности (до 10 Вт/см ) достигались при сравнительно, компактных лазерных системах, работающих к тому же в частотном режиме. Поэтому оставался открытым вопрос об эффективности наносекундных импульсов для.процессов образования мног оза-рядных ионов при нелинейной ионизации атомов инертных газов, в частности, об абсолютных значениях интейсивностей, при которых образуется заметное по отношению к однозарядным количество двухзарядных ионов.

Актуальным это становится сейчас с развитием современной техники многопроходных усилителей, позволяющих резко уменьшить габариты наносекундкой лазерной установки и обеспечить частотный режим ' работы. Становится ;возможным практическое использование наносекундных импульсов для получения многозарядных ионов. Преимущество же наносекундных импульсов заключается в возможности получения пучков очень высокого качества (близких к гауссову), очень узкой линией генерации (<10 см"1), малой расходимостью и высокой повторяемостью параметров от импульса к импульсу,, что позволяет с большой степенью точности оценивать интенсивность лазерного излучения г области взаимодействия.

Современные представления на процесс образования двухзарядных ионсв при воздействии наносекундным импульсом говорят в пользу каскадного механизма. Поэтому сравнение экспериментальных результатов с расчетом по кинетической мЬцели с кас-¡здным механизмом образования двухзарядных ионов также представляет определенный интерес. С точки зрения теории на-иосекунднию импульсы близки к предельному случаю - адиабати-

, - обнаружено существенное уменьшение (~в 5 раз) интенсивности насыщения сигнала однозарядных ионов атомов инертных газов по сравнению с экспериментами, использовавшими пикосе-кундные импульсы с той же длиной волнь;, связанное с адиабатическим включением и большой длительностью возбуждающего

поля;

- установлено, что двухзарядные ионы при нелинейной ионизации атомов начссекундными импульсами образуются при тех же интенс-ивностях как и при использовании пикосекундных импульсов;

- выявлена тенденция к уменьшению сигналов одно- и двух-зарядного ксенона при максимальных интенсивностях, достигнутых в эксперименте;

- предложена модификация кинетической модели с каскадным механизмом образования двухзарядкых ионов и расчетом скоростей ионизации по формуле Келдыша, с точки зрения которой уменьшение ионных сигналов с ростом интенсивности объясняется перекачкой з белее высокие зарядовые состояния;

- показано преимущество наносекундных .импульсов перед пигасекундными при исследовании процессов диссоциации в молекулах, также связанное с большой длительностью и плавным включением поля;

- под воздействием одночастотного наноейкундного импульса неодимового лазера впервые измерены нё/^нейности процессов образования молекулярных и атомарных ионов дейтерия и азота.

Научное и практическое значение. Проведенные в диссертации исследования могут быть отнесены к разделу фундаментальных исследований по нелинейной ионизации атомов и простейших молекул и важны для понимания механизма этого процесса, когда трудно осуществим квантэвомеханический расчет вследствии многообразных коллективных эффектов, возникающих в атоме о несколькими оптическими электронами и тем более в молекулах. В свяби с этим накопление достоверного экспериментального материала позволяет наметить пути упрощенных расчетов и использозать в: дальнейших исследованиях модели, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. : Разработаны и созданы две лазерные системы на неодимовом

, Кроме того материалы диссертации, неоднократно докладыва.-лись на научных лабораторных семинарах Отдела теплофизики АН РУз.

Публикации. По материалам диссертации %опубликовано три статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 114 страницах, содержит 25 рисунков и список литературы из 86 наименований.

Личный вклад соискателя. Результаты, изложенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Вклад автора ^ыл определяющим в монтаже и наладке всех систем экспериментального оборудования, в проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов.

Проведение этих работ било-бы невозможным без постоянного участия и поддержки соавторов печатных работ и сотрудников лаборатории. Автор выражает им глубокую признательность.

КРАТКОК СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность - исследуемой *. темы, сформулированы цель .работы и постановка задачи исследования, изложены научная новизна и практическая: ценность результатов, полученных в работе.

В главе I диссертации описывается экспериментальная установка по исследованию' процесса нелинейного взаимодействия лазерного излучения с газообразной мишенью. Основные част^ системы - многокаскадный одночаетотный .наносекундный лазер на силикатном стекле с №1, камера взаимодействия и регистрирующая аппаратура.

Сформулированы требования к лазерному излучению. Высокая нелинейность исследуемых процессов требует достижения значительных интенсивностей в области взаимодействия лазерного излучения с атомами и молекулами (вплоть до 10 Вт/ем £Ш. в экспериментах такого рода принята нормировка на максимум интенсивности 10. Однозначное же определение 10 по измеряемым параметрам возможно при одномодовом одночастотном

многозарядкых ионов трех инертных гадов (ксенона, криптона и аргона, рис. 1).

Дается краткий обзор экспериментальных работ, посвященных этому вопросу. Отличительная особенность работ по образованию многозарядных ионов на частоте неодимового лазера и его второй гармоники - это использование лазерных -систем с пико-секундяой длительностью импульса. При попытке сопоставления экспериментов с близкими параметрами лазерного импульса выявляются противоречия. Например, интенсивности насыщения ионных сигналов в различных работах отличаются,на порядок. В оолее поздних исследованиях не наблюдается поведения сигнала, характерного для прямого процесса ионизации.(когда при многофотонной ионизации происходи отрыв одновременно двух электронов). Наклоны ионных сигналов в ряде работ меньше, чем ожидается из энергетических соображений, хотя частота генерации выбрана такой, чтобы обеспечить нерезонансну;о ионизацию.

Таким образом, проведение дальнейших экспериментов по нелинейной ионизации остается актуальной проблемой и, ■ в част-• ности, результаты экспериментов с атомами инертных газов с использованием наносекундного импульса дополняют цитированные работы и дают новую информацию об йнтенсивностях насыщения ионных сигналов. В наших исследованиях основное внимание уделялось поведению ионных сигналов в области глубокого насыщения' и регистрации сигналов многозарядных ионов.

В экспериментах с атомами инертных. газов использовалось излучение системы "лазер-1", при этом наблюдалось образование ионов вплоть до трехзарядных для ксенона и друхзарядных для криптона и аргона. Сигналы двухзарядных ионов появлялись

с>„

после насыщения сигналов-аднозарядных - такое поведение ионных сигналов характерно для каскадного механизма нелинейной ионизации и согласуется с современными представлениями на этот процесс. В сигналах одно и двухзарядного ксенона наблюдался спад при максимальной интенсивности. Результаты эксперимента сравниваются с данными, аналогичных исследований других групп, проводившихся с пикоейкундньм Импульсом на той же длине волны Ш и с наносекундным излучением С02-лазера. От-

мечается большая схожесть с результатами работы на частоте углекислого лазера,: хотя длины волн отличаются на порядок и работают различные механизмы ионизации.

Сравнение с данными работы С13 на той же длине волны, ко с длительностью лазерного импульса 50 пс показывает уменьшение интенсизности насыщения в сигналах однозарядных ионоь примерно в 5 раз. Обсуждаются возможны? причины такого уменьшения. Делается вывод, „уто этот.'эффект связан с большой длительностью лазерного импулъса и его адиабатическим вклк>-чением и выключением. Сниж&ние интенсивности насыщения при- . водит к тому, что отношение сигналов двух- к однозарядным ионым сравнивается с аналогичным параметром работы .[1] при меньших значениях интенсивности, то есть-по эффективности для процесса образования двуу.зарядных ионов наносекундные импульсы не уступают пккосекундным. . "

На. зснове полученных данных построена зависимость пороговой интенсивности появления сигнала иона ст его потенциала ионизации. Гладкий характер этой зависимости свидетельствует в пользу независимости процесса нелинейной нёрезонаненой ионизации от внутреннй структуры,атома или иона.

- В главе III приведены результаты ' экспериментального исследования процессов нелинейной диссоциации и ионизации простейших молекул '-дейтерия .и азота, подтверждающие резонансный характер этих процессов.

Изложены результаты, опыта с молекулой дейтерия. Несмотря на то, что для процесса образования атомарного иона дейтерия требуется больше энергии,, чем для молекулярного иона, сигнал Dg при интенсивностях меньших интенсивности 'насыщения лишь примерно в два раза превышает сигнал D+. Вблизи интенсивности насыщения сигналы.сравниваются, а затем сигнал атомарного иона начинает превосходить сигнал молекулярного -это указывает на существование резонанса с термом, через который происходит диссоциация молекулы. Выявлению каналов образования ионсв Dg и D* способствовало измерение нелинейноетек процессов, оказавшхе'я равными 1$(р£)»10.6 + .0.7 И к.(Ь*)«11 +6.5 соотьетственно для молекулярного и атомарного .сигналов. . Исходя, из з'1'их значений -к, а тэкже из правил отбора, видно.

-13 - .;..■■." -

частотного излучения по сравнению с мног очастотным. Резонан-сы с промежуточными подуровнями, как показывают оценки, реализуется из-за сдвига и уширения линий в более сильном, чем в СЗ], поле. Кроме того, в нашем эксперименте наблюдался и сигнал двухзарядного азота.

В главе IV излагаются основные модели, используемые при объяснении экспериментальных данных. Основное внимание уделяется кинетической модели процесса нелинейной ионизации с образованием многоаарядных .$юнов. Дается общее предстагление кинетической модели, записаньой в виде- системы дифференци- 1 альных уравнений первого- порядка: , . 1«»»*

I и/ап, - I М^п. (1)

где - скорость ионизации из состояния 1 в состоятие п,-п4(гЛ)_-- плотность населенности состояния 1 в точке г в момент -времени чт<а- максимальное зарядовое состояние.

Б ирчлоаении. к полученным в данной работе результатам развивается вариант кинетической модели, основанный на каскадном механизме образования двухзарядных ионов с численным расчетов скоростей ионизации по общей формуле Келдыша. При этом система XI) принимает следующий вид: "

5?= (2)

¿2г - Ш п

и 1 ... , Аналитическое решение системы (2) 'выгляди^ таким образом:

(3)

*чн *»12

1«, = С!1;- «ф (-

где * - длительность лазерного импульса.

Расчет скоростей ионизации по формуле Келдыша ведется из-

' - 15 -

симости конных сигналов различной зарядностк от интенсивности лазерного излучения.

2. При исследовании нелинейной ионизации атомов зарегистрированы трехзарядные ионы ксенона и двухзарядныё - криптона и аргона.

3. В облаете максимальной интенсивности наблюдалась тенденция к опаду сигналов одно-- и двухзарядных ионов ксенона, объясняемая й рамках кинетической модели перекачкой в более высокие зарядовые состояния.--"

4. Наблюдалось существенное (примерно в 5 раз) уменьшение интенсивности насыщения сигнала однозарядных йонов по сравнению с экспериментом, где использовалось излучение Иикосе-кундногс лазера [13, связанное с адиабатическим включением и большой длительностью возбуждающего поля. Образование же двухзарядных ионов происходило при примерно одинаковых ин-тенсиЕНе-стях.

. 5. По экспериментальным данным построена зависимость пороговой интенсивности появления сигналоз различных ионов от соответствующих потенциалов ионизации для исследованных трех инертных газов. Монотонный характер этой-кривой свидетельст-* вует о слабом влиянии внутренней структуры конкретного атома на процесс нелинейной нерезонансной ионизации и говорит в пользу каскадного механизма образования многозарядных ионов.

6. Исследование нелинейной диссоциации двухатомных молекул подтверждает резонансный характер протекающих процессов. В ходе эксперимента зарегестрирован двухзарядный ион аэота.

7. Измерены нелинейности процебсов образования молекулярных- и атомарных ионов дейтерия и азота при воздействии одьо-частотным наносекундным импульсом неодимового лазера.

8.. Сравнение , с экспериментальным исследованием диссоциации молекулы , азота пнкосекундным,импульсом показывает преимущество наносекундного- импульса для изучения этого процесса при промежуточном резонансе -с разлетным термом молекулы. Связано это с тем, что характерные времена диссоциации обычно. более 10 не и при пикосекундйых длительностях.лазериого импульса этот канал диссоциации не успевает сработать.

9. Предложена модификация кинетической модели с каскадным

^УВВЛТЖ НЕОДИМ ЛАЗЕР НУРЛЛНИШ МАЙДОНИДЛГИ АТОМЛАР ВА ЙККИ АТОШМ. ШЛЕКУЛАЛАРДАГИ КУГЖВАНГЛИ ЖАРАЕ11ЛАР

Искандеров А. Ф. .

К^с^ача мазмуни

Бу ишда инертли газлар атомдарни ночкзик; иснлаш, купзаряд-т ионлар у»осил булиш Еа бир: чгототали, наносекунда узунли-гидаги лазер импульси таъсирида иккиатомли ,молекулаларни (дейтерий ва азот) ночизи^и ионлаш жараенларнинг тад^икрт ишлари олиб борилган.

Ксенон.учун учзарядлигача ва криптон, аргон, азот учун иккизарядли ионлар пайдо булиши.кузатилган. Туйиниш интенсивности уша тулкин узунлкги, лекин пикосекундли импульсни экспер:*.ментга нисбатан сезиларли камайиб кетиши кузатилган. Бу ходиса импульснинг ван;ти купроц булган б план богланган. Лекин* шу вак;г.ииинг узида иккизарядли ионлар та^минан ужа ин-тенсившл'ть к(ийматида пайдо булишадгс. Эксперимента интенсивность енг юирри койматига эришиганда, ксевонинг бир ва икки зарядли ионлар сигнали камайиши кузатилган. Иккизарядли ионлар каскад механизм орк,али пайдо булиш кгаетик усулига ва Келдиш формуласи оркчали ионлаш тезлиги хисобига узгартириш тавсия э'1'илган. Хисоб натижалари эксперимент натижалар билан солиштирилгак Еа улар сифат жи^атидан бир-бирига якин. Тавсия этилган усулга аоослансак, ион сигналили лазер нури интенсивности купайиши билан камайиб кетиши ионларни ю^ориро^ заряд холатига о^б утиш билан тушинтириш мумкин.

Бир частотам, наносекундли неодим лазер импульси таъсирида 'дейтерийнинг ва азотнинг \ молекула ва атом ионларнинг ¡пайдо булиш жараенининг ночизшушги улчанган. Диссоциация Ьак,ти кат та булгани учун, разлет терм билан оралик резонанс ^олатида, молекулаларпикг ночизик; диссоциация жараенининг 'гадк^ккрт учун наносекунд лазер импульси ишлатиш кераклиги курсатилган.

Отездтано в офсетной лаборатории Узгостелерадиокомпанкя. Заказ № 500. Тирах 100. Подписано -в печать 2s.I0.93r. г.Ташкент, ул.Хорезмская,49.