Нелинейные взаимодействия интенсивного пико- и фемтосекундного лазерного излучения с веществом в сильно неравновесном состоянии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

'; П.резиди у м В л.'К

,.•; '¡?ешение от " №. г„ Не ': присудил ученую степень

£

л__наук

1Ь_

К "Начальник управления ВАК России | ________

*са г ывйю'.иьг иы я. и

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.373.826

ГОРДИЕНКО Вячеслав Михайлович

Нелинейные взаимодействия интенсивного пико- и фемтосекундного лазерного излучения с веществом в сильно

неравновесном состоянии

Специальность 01.04.21-лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА -1997

Содержание

Введение ..........................................................................................................................9

Часть I. Пико- и фемтосекундные лазерные системы как источники сверхсильных световых полей...........................................................................21.

Введение.........................................................................................................................................21

Глава 1. Высокостабильные твердотельные пикосекундные лазеры с отрицательной обратной связью...................................................................................................................................................................................27

1.1. Обзор литературы и постановка проблемы.......................................................................28

1.2. Режимы работы импульсных твердотельных пикосекундных лазеров с отрицательной обратной связью................................................................................. ...................................33

1.3 Динамика длительности импульса в квазистационарном режиме генерации..................................................... .........................................................................................................................37

1.4. Экспериментальная реализация различных схем твердотельных пикосекундных лазеров с отрицательной обратной связью.................—............... .................;..........................................................................................................................41

1.4.1. Квазистационарный режим генерации..................................................41

1.4.2. Твердотельный генератор сверхкоротких импульсов на аллюмо-иттриевом гранате с двухступенчатым управлением добротностью резонатора........................................... ...........................................................................42.

1.4.3. Режим ограниченного цуга; управление формой цуга......... ................51

Глава 2. Мощные пикосекундные лазеры десятимикронного

диапазона............................................................................................................................................55

2.1. Принципы формирования пикосекундных импульсов десятимикронного диапазона................................................................................................................................................55

2.1.1. Формирование сверхкоротких импульсов излучения десятимикронного диапазона с помощью оптически управляемых полупроводниковых затворов.....................................................................................56

2.1.2. Формирование СКИ-10 мкм с помощью нелинейного преобразования частоты излучения......................................................................................................59

2.2. Формирование пикосекундных импульсов десятимикронного диапазона с помощью параметрического усиления..................................................................................................64

2.2.1. Численный анализ процесса параметрического усиления..................64

2.2.2. Генерация затравочных пикосекундных импульсов излучения десятимикронного диапазона....................................................................................71

2.2.3. Варианты схем параметрического усиления ПУ...............................75

2.2.4. Управление спектральными характеристиками пикосекундных импульсов среднего ИК-диапазона............................................................................78

2.3. Усиление сверхкоротких импульсов десятимикронного диапазона в СС>2 усилителе высокого давления................................................................................................................84

2.3.1. Особенности усиления сверхкоротких импульсов в активной среде СОг модуля высокого давления...................................................................................84

2.3.2. Экспериментальная реализация электроразрядных СО 2 усилителей высокого давления.............................. ...................................................88

2.3.3. Регенеративное усиление СКИ-Юмкм.....................................................90

2.3.4. Линейное усиление.:......................................................................................95

2.4. С02 усилитель высокого давления с накачкой YSGG:Cr:Er лазером.................................................................. ...................................................................................................................96

2.4.1. Схема возбуждения.......................................................................................97

2.4.2. Эксперименты по усилению с оптической накачкой.........................98

2.5. Перспективы развития С02 лазерных систем сверхкороткой длительности............................................................ .......................................................................................................102

Глава 3. Генерация сверхинтенсивного излучения фемтосекундной длительности в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах......................................................................................................................................107

3.1. Схемы построения мощных эксимерных фемтосекундных систем ........................................... ..............................................................................107

3.1.1. Варианты стартовых комплексов фемтосекундных эксимерных систем............................................................................................................................108

3.1.2. Эксимерные усилители............................. ................................................111

3.2. Стартовые комплексы фемтосекундной ХеС1 лазерной системы на основе высокостабильных твердотельных пикосекундных лазеров с

ООС..........................................................................................................................................................................................113

3.2.1. Фемтосекундпый стартовый комплекс с использованием твердотельного пикосекундного лазера с ООС в режиме двухступенчатого управления добротностью резонатора................................................................114

3.2.2. Фемтосекундный стартовый комплекс на основе твердотельного пикосекундного лазера с отрицательной обратной связью в режиме ограниченного цуга..................................... .................................................................116

3.3. Усиление сверхкоротких импульсов в ХеС1 эксимерном усилителе.,119

3.3.1. Общие характеристики процесса усиления.......................................119

3.3.2. Зависимость плотности энергии насыщения усиления и предельного энергосъема от ширины спектра усиливаемого сигнала..........121

3.3.3. Измерение длительности световых импульсов методом неколлинеарной генерации второй гармоники при отражении от поверхности нелинейного кристалла...................................................................124

3.4. Фемтосекусекундная лазерная система сверхсильного светового поля на красителях............................................................ ...............................................................................................127

3.4.1. Фемтосекундный лазерный комплекс на красителях.....................129

3.4.2. Система твердотельных усилителей.................. ................................132

3.4.3. Система усилителей на красителях с пикосекундной накачкой............................................. ............................................................................133

3.4.4. Контроль спектральных, временных и пространственых характеристик излучения генератора сверхсильного светового поля........135

3.5. Субпикосекундный параметрический генератор сверхсильного светового поля на кристалле LBO.'.......................................................................................................139

3.5.1. Нелинейные кристалы для фемтосекундных ПГС...........................141

3.5.2. Фемтосекундное параметрическое усиление при высоких уровнях интенсивности накачки............................................................................................142

3.5.3. Мощные фемтосекундные ПГС на кристалле LBO........................144

Выводы к части I................................................................................................................153

Часть IL Нелинейные резонансные взаимодействия интенсивного ИК лазерного излучения с колебаниями многоатомных молекул.

Молекулы в условиях экстремального возбуждения................................154

Введение...........................................................................................................................................154

Глава 4. Нелинейные процессы при колебательной релаксации в газе сильно возбужденных молекул........................................................................167

4.1. Методика экспериментального исследования кинетики колебательно-

поступательной релаксации..........................................................................................................-................169

4.1.1 Интерферометрическая методика.............................................................171

4.1.2. Акустическая инерционность......................... .............................................................173

4.1.3. Определение колебательной температуры................. .............................173

4.2. Экспериментальное исследование процесса термализации молекулярных газов в условиях сильного колебательного возбуждения................................... .................................................................................................................................175

4.2.1. Анализ экспериментальных результатов...............................................179

4.2.2. Модель для CD4 газа......................................................................................180

4.2.3. Сопоставление с эспериментом и обсуждение результатов

по CD4.............................................................................................................................183

4.2.4. Модель для SF6 газа......................................................................................184

4.2.5. Общий взгляд на механизмы, приводящих к ускорению колебательно-поступательной релаксации.....................................................................................185

4.3. Нелинейная релаксация при межмолекулярном обмене колебательной

энергией.................................................................. ...............................................................................................................187

4.3.1. Методика пробного пучка............................. ................................................188

4.3.2.Обсуждение экспериментальных результатов..................................„...189

Глава 5. Многофотонное возбуждение многоатомных молекул интенсивным широкополосным ИК излучением в экстремальные состояния..........................................................................................................................................

5.1. Опто-акустическое детектирование многофотонного поглощения....................................................................................... .............................................................................199

5.2. Многофотонное возбуждение и диссоциация молекул СН3ОН широкополосным излучением мощного ИСГГ:Сг:Ег лазера в диапазоне

2,7 мкм..................................................................................................................................................................................202

5.2.1. Экспериментальная установка...................................................................203

5.2.2. Результаты измерений и их обсуждение.................................................204

5.3. Многофотонное возбуждение и диссоциация этилена под действием пйкосекундного излучения десятимикронного диапазона...................................................213

5.3.1. Экспериментальная установка...................................................................214

5.3.2. Спектры МФП в SF6 и С2Н4........................................................................................................215

5.3.3. Зависимость МФП от потока падающей энергии для SF6

и С2Н4..............................................................................................................................218

5.3.4. Механизм деструкции этилена. Формирование винилидена..............223

Глава 6. Четырехфотонная спектроскопия дипольно-

разрешенных колебательных мод многоатомных молекул..............................................................................................................................................228

6.1. Генерация третьей гармоники ГТГ на колебательных резонансах молекул...............................................................................................................................................................................228

6.1.1. Особенности процесса ГТГ в молекулярных газах............................229

6.1.2. Эксперименты по ГТГ с использованием излучения TEA СОг лазера...........................................................................................................................232

6.2. Определение природы многофотонных резонансов при взаимодействии ИК-лазерного излучения с молекулярными колебаниями............................................233

6.2.1. Генерация суммарной частоты и генерация третьей гармоники............................................ ..........................................................................237

6.2.2. Вырожденное четырехволновое взаимодействие и генерация третьей гармоники...................................... ...............................................................238

6.2.3. Измерение ангармонизма колебаний методом генерации гармоник............................................. ............................................................................243

6.3. Применение генерации гармоник в исследованиях релаксационных процессов: двойной ИК-ГТГ резонанс..................................................................................................247

6.3.1. Экспериментальная установка..............................................................248

6.3.2. Экпериментальные результаты по динамике У-У обмена в смеси С¥31-СВ4 газов..............................................................................................................250

6.4. ГТГ в поле пикосекундных импульсов десятимикронного диапазона............................................................... .............................................................................................................252

6.4.1. Экспериментальная установка..............................................................252

6.4.2. Экспериментальные результаты для , С2Н4 газов...................253

Выводы к части II....................................................................................................................261

Часть III. Вещество в сверхсильном световом поле: генерация фемтосекундной приповерхностной высокотемпературной

плазмы...............................................................................................................................................263

Введение....................................................................................................................................263

Глава 7. Сверхкороткие рентгеновские импульсы из высокотемпературной приповерхностной плазмы, эволюция фемтосекундной плазмы и генерация второй гармоники на отражение........................................................................................................................................275

7.1. Генерация пикосекундных рентгеновских импульсов в приповерхностной плотной плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным излучением сверхвысокой интенсивности.......................................................................................276

7.1.1. Оценки параметров фемтосекундной плазмы............. ......................276

7.1.2. Эксперименты по генерации сверхкоротких ующных рентгеновских импульсов...............................................................................................................................279

7.2. Высокотемпературная плазма, индуцирумая сверхинтенсивными фемтосекундными лазерными пучками на поверхности мишени: эволюция плазмы и генерация второй гармоники............................................................................................................................................................................287

7.2.1. Эволюция приповерхностной лазерно-индуцированой высокотемпературной плазмы...............................................................................288

7.2.2. Двухпучковые взаимодействия сверхинтепсивного

фемтосекундного излучения с поверхностью твердотельной мишени; модификация поверхности и неколлинеарная генерация второй

гармоники............................................ ..........................................................................293

7.2.3. Генерация В Г в условиях резонансного возбуждения ПЭВ на

поверхности модифицированной мишени с периодическим рельефом.........300

Выводы к части III ........................................................................................................304

Заключение..............................................................................................................305

Литература...............................................................................................................310

Введение

Создание в последнее десятилетие новых типов интенсивных источников импульсного лазерного излучения стимулировало исследования, связанные с поведением вещества в состояниях, далеких от равновесных условий, что характерно не только для фундаментальных исследований по физике, химии, биологии, но и прикладных, направленных на разработку новых перспективных технологий [1].

Энергия лазерного излучения может быть сконцентрирована в пространстве и во времени. Это позволяет осуществлять предельно высокие удельные энерговклады в вещество в контролируемых условиях, что невозможно в рамках других подходов. Высокие удельные энерговклады, в свою очередь, могут радикально влиять на физику протекания самого процесса взаимодействия излучения с веществом, существенно модифицировать параметры вещества, позволить выйти на решения задач, связанных с термодинамикой нелинейных необратимых процессов, характерных для сильно неравновесных систем.

История развития лазерной физики и нелинейной оптики свидетельствует, что значительная часть наиболее ярких эффектов в области физики взаимодействия лазерного излучения с веществом получена при использовании экстремальных значений параметров излучения, таких как интенсивность, длительность, спектральная яркость [2-4]. Сильно неравновесные состояния, как правило, возникают в результате нелинейных процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Нелинейные взаимодействия сильного светового поля с квантовыми системами (на примере молекул) были рассмотрены уже на ранней стадии исследований в 60-х годах [5-6]. В работе [7] впервые сформулирована задача инициирования неравновесного колебательного возбуждения молекул и ускорения фотохимической реакции под действием резонансного ИК излучения. Создание в начале 70-х годов мощных TEA С02 лазеров [8] сыграло ключевую роль в постановке широкомастабных исследований по резонансному воздействию интенсивного (>106 Вт/см2) ИК излучения на вещество.

Яркими примерами реализации сильно неравновесных процессов при "дозированном" переводе молекулярных систем в состояния экстремального возбуждения являются резонансное ИК многофотонное поглощение и

диссоциация молекул в газовой фазе [9-11], инициирование сильно неравновесных химических реакций [12-13].

Процессы релаксации энергии в молекулярной системе, находящейся в сильно неравновесных условиях, могут обнаруживать нелинейные явления в динамике энергообмена. Это процессы нелинейной колебательно-поступательной (V-T) и колебательн�