Поляризационная спектроскопия низкотемпературной лазерной плазмы с высоким пространственным и спектральным разрешением на основе когерентного четырехволнового взаимодействия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

%2 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. ЛОМОНОСОВА

с—

___

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

СП см

На правах рукописи УДК 535.345.9

Сидоров-Бирюков Дмитрий Александрович

ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НИЗКО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ С ВЫСОКИМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ И СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНОГО ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессо физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители - доктор физ.-мат. наук

профессор Н.И.Коротеев, кандидат физ.-мат. наук старший научный сотрудник А.М.Желтиков

Официальные оппоненты - доктор физ.-мат. наук

зав. лабораторией Е.А.Рябов, доктор физ.-мат. наук ведущий научный сотрудник А.А.Исаев.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский

Государственный Университет НИИ Российский Центр Лазерной физики.

Защита состоится « ' » смм ^_1997 года в 15 часов

конференц-зале корпуса нелинейной оптики физического факультета и заседании Специализированного Совета №1 Отделения радиофизик физического факультета Московского Государственного Университета го М.В.Ломоносова (шифр К.053.05.21) по адресу: 119899, Москва, Воробьев: Горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическог факультета МГУ.

Автореферат разослала; [ч.&г=Я-.<*> с п ГЯ. 1997 года.

Ученый секретарь

| о

Специализированного Совета КД

^ У/ <7//1 ,,

радиофизики физического сра^ц^иМЦУ^ * //

кандидат физ.-мат. наук, доцент^^Уссш! М.С.Полякова

Актуальность исследования

Интерес к исследованию нелинейно-оптических свойств лазерной плазмы, с электронной плотностью существенно шоке критической для излучения оптического диапазона - Ые к 1017...102° см3, электронной температурой Тс « 1... 10 эВ, создаваемой источниками умеренной мощности Р » 10б.. . 107 Вт, связан с рядом причин.

Во-первых, особенный интерес применения низкотемпературной лазерной плазмы заключается в использовании ее в качестве нелинейно-оптической среды для преобразования излучения в коротковолновую область спектра. Последние исследования проводившиеся в данном направлении показали, что использование плазмы оптического пробоя газов и эрозионной лазерной плазмы позволяет достичь высокого коэффициента преобразования оптического излучения при генерации гармоник. Важно отметить, что генерация гармоник, процессы четырехволнового смешения в лазерной плазме являются когерентными и, следовательно, расходимость излучения, рождающегося в плазме в поле дифракционно ограниченных пучков близка к дифракционному пределу, т. е. пучки излучения оптических гармоник хорошо коллимироЕаны. Следовательно, можно сфокусировать это преобразованное излучение и передать его на большое расстояние, что важно для многих приложений. Оптическое преобразование частоты в лазерной плазме может быть использовано для генерации перестраиваемого излучения с гораздо более короткой длиной волны, чем можно получить в кристаллах. В то же время промежуточные атомные и ионные резонансы могут быть использованы для повышения эффективности нелинейно-оптических процессов в плазме.

Во-вторых, лазерная плазма широко используется в качестве среды для х1шических реакций, при изготовлении высококачественных алмазных пленок и других практических приложений, а также в качестве источника некогерентного коротковолнового и рентгеновского излучения. Изучение механизмов испускания решгеновского излучения, кинетики химических реакций требует

тщательного изучения оптических нелинейностей, особенностей оптического отклика ионной и электрошюй компонент плазмы.

В-третьих, изучение лазерной плазмы также важно для понимашм эффектов, возникающих при распространении мощною лазерного излучения. Часто плазма образуется при распространении мощного лазерного излучения в газовой среде. Для правильного описания распространения мощного лазерного света в газе и предсказания влияния плазмы на картину распределения интенсивностей и фаз в дальнем поле необходимо учитывать и измерять линейные и нелинейные характеристики среды (наведенные светом изменения показателя преломления, коэффициента поглощения и других оптических параметров).

Поляризационная спектроскопия когерентного четырехволнового смешения (ЧВС), в том числе, схема когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), широко используемая для диагностики молекулярных и атомарных сред, оказывается эффективной при изучении возбужденных газовых и газоподобных сред, в том числе, лазерной плазмы. Сигнал, полученный в результате нелинейно-оптического взаимодействия, несет информацию о химическом составе среды, населенностях квантовых уровней, температуре, распределении скоростей и т.д. отдельных атомов или ионов. Основное преимущество методов когерентного ЧВС состоит в том, что они позволяют осуществлять диагностику объектов, характеризующихся высоким уровнем некогерентных засветок, - таких как лазерная плазма. При определенных условиях данная техника позволяет независимо измерять действ отельную и мнимую части кубической восприимчивости среды, разрешать наложившиеся линии, увеличивать контраст дисперсионной кривой кубической восприимчивости вблизи комбинационных резонансов и т. д. Последние исследования (в частности, описываемые в настоящей диссертации) показали, что техника ЧВС является достаточно эффективным средством для двумерной диагностики газовых сред.

Хотя когерентное четырехволновое смешение довольно давно и успешно применяется для исследования структурно-организованных веществ в различных агрегатно-фазовых состояниях (молекулярные газы и жидкости, кристаллы, стекла и т. п.), проведенные в последнее время эксперименты показали, что использование этой техники для диагностики плазмы и возбужденных газовых сред требует определенных изменений в методике экспериментов и специальных исследований по теории когерентного ЧВС в возбужденных атомарных и ионных средах. В частности, интерпретация результатов экспериментов по четырехфотонному рассеянию в возбужденных газовых средах и плазме требует учета вклада состояний непрерывного спектра (отсутствующего в структурно-организованных средах), основные спектроскопические параметры которого до последнего времени оставались слабо исследованными.

Цель диссертационной работы Основной целью данной диссертационной работы является качественный и количественный анализ свойств плазмы оптического пробоя у поверхности металлических мишеней методами лазерной когерентной четырехфотонной спектроскопии, а также анализ возможности использования лазерной плазмы в качестве нелинейной среды для генерации когерентного перестраиваемого коротковолнового излучения. Развиваемый в диссертации подход делает возможным измерение спектральных и временных параметров, а также пространственного распределения возбужденных атомов и ионов в лазерной плазме.

Научная новизна

1. Экспериментально измерено состояние поляризации квазирезонансного сигнала ЧВС из низкотемпературной лазерной плазмы. Определены зависимости параметров эллипса поляризации квазирезонансного сигнала от времени задержки между моментом создания плазмы и моментом

зондирования. Развит метод количественного описания поляризационных характеристик сигнала четырехволнового смешения вдали от атомарных и ионных резонансов.

2. Развита методика разрешения близких атомарных и ионных линий в спектре четырехволнового взаимодействия, основанная на технике когерентной эллипсометрии в многокомпонентной лазерной плазме. Развитый подход применяется для разрешения пары близких линий в спектре четырехволнового взаимодействия из лазерной плазмы. Показано, что при определенных условиях развитый подход позволяет восстановить спектральные зависимости каждой из интерферирующих линий в спектре четырехволнового взаимодействия и получить информацию о разности фаз соответствующих резонансных составляющих нелинейной поляризации среды третьего порядка.

3. Экспериментально продемонстрирована возможность существенного увеличения эффективности процесса четырехволнового взаимодействия в лазерной плазме за счет использования промежуточных резонансов гиперкомбинационного типа в возбужденных атомах. Исследован четырехфотонный процесс с резонансом на частоте перехода между электронными состоящими атомов азота, возбужденных в плазме оптического пробоя. В схеме "трехцветного" четырехволнового взаимодействия с участием сфокусированных пучков излучения импульсного лазера на Кс1:УАО и перестраиваемого лазера на растворе органического красителя (родамин 6С) зарегистрировано увеличение эффективности преобразования излучения в коротковолновую область (длина волны 365 им) на три порядка по отношению к эффективности нерезонансного процесса.

4. Развита экспериментальная методика двумерного отображения относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов в низкотемпературной плазме оптического пробоя, основанная на использовании техники когерентного четырехволнового смешения с резонансом гиперкомбинационного типа. Исследована возможность получения информации

о пространственном распределении населенностей возбужденных состояний атомов и ионов из получаемых по этой методике двумерных карт интенсивности сигнала четырехволнового взаимодействия с учетом фазового рассогласования и олнофогонного поглощения

5. Экспериментально определены условия, при которых четырехволновое взаимодействие в плазме происходит в синхронном режиме и не подвержено существенному влиянию однофотонного поглощения.

Практическая ценность

1. Продемонстрирована практическая возможность невозмущающей диагностики атомов и ионов в многокомпонентной низкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлических мишеней, характеризующейся высоким пространственным (определяемым дифракцией зондирующих пучков) и временным (определяемым длительностью импульсов зондирующего излучения) разрешением.

2. Продемонстрирована возможность практического использования когерентного ЧВС для двумерной диагностики пространственного распределения относительных населенностей возбужденных состояний атомов и ионов в низкотемпературной лазерной плазме. Экспериментально определены области, в которых сигнал ЧВС в условиях однофотонного поглощения является квадратичной функцией концентрации резонансных частиц, что позволяет использовать этот метод для количественного измерения пространственного распределения концентрации этих частиц.

3. Результаты выполненных экспериментов по исследованию преобразования когерентного излучения в коротковолновую область в низкотемпературной плазме оптического пробоя свидетельствуют о возможности использования промежуточных резонансов в спектре ЧВС для повышения эффективности данного процесса.

Защищаемые положения

1. Реализованная экспериментальная схема для диагностики многокомпонентной плазмы оптического пробоя у поверхности металлических мишеней на основе поляризационного когерентного ЧВС с резонансами гиперкомбинационного типа позволяет исследовать временную эволюцию и пространственное распределение отдельных атомарных и ионных компонент лазерной плазмы.

2. Сигнал квазирезонансного когерентного ЧВС в низкотемпературной лазерной плазме оптического пробоя характеризуется аномальным состоянием поляризации. Показано, что эллиптичность поляризации сигнала ЧВС в условиях оптического пробоя обусловлена влиянием интерференции разлитых компонент тензора нелинейно-огггической восприимчивости среды, в том числе, квазирезонансных связанных состояний атомов и ионов, заселяемых в условиях оптического пробоя, и влиянием состояний непрерывного спектра.

3. Реализованная схема когерентной эллинсометрии низкотемпературной лазерной плазмы в спектральном представлении позволяет разрешать, используя различие в поляргаационных характеристиках, близкие и наложившиесх спектральные линии атомов и ионов в плазме оптического пробоя, а также разделять, используя различие во временной эволюции, интерферирующие компоненты кубической поляризации среды.

4. Реализованная экспериментальная схема на основе "трехцветного" ЧВС в низкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлической мишени позволяет увеличивать на три порядка эффективность генерация коротковолнового излучения за счет промежуточных резонансов гиперкомбинационного типа между возбужденными состояниями атомов и ионов.

5. Экспериментально реализованный метод двумерного отображения на основе поляризационной широкополосной техники ЧВС с резонансом гиперкомбинационного тина позволяет составлять двумерные карты

совместного пространствештого распределения населенностей возбужденных состояний атомов и ионов в многокомпонентной пространственно неоднородной низкотемпературной лазерной плазме.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на конференциях и симпозиумах:

1. XII Европейском семинаре по КАРС (Филлиген, Швейцария, 1993г.).

2. XIV Европейском семинаре по КАРС (Эль Эскориал, Испания, 1995г.).

3. XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике.

(Санкт-Петербург, 1995г.).

4. Российско-Германском лазерном симпозиуме (Пушкин, 1995г.).

5. Международном симпозиуме Современные проблемы лазерной физики (Новосибирск, 1995г.)

6. Международной конференции Лазеры'95 (Чарльстон, США, 1995г.).

7. XV Европейском семинаре по КАРС (Шеффилд, Великобритания, 1996г.).

8. Международном семинаре по лазерной физике. (Москва, 1996)

9. Российско-Германском лазерном симпозиуме (Бонн, Германия, 1996г.).

10. XV Международной конференции по Спектроскопии комбинационного рассеяния света (Питтсбург, США, 1996 г.).

11. Европейской конференции по лазерам и Электро-Оптике 1996г. (Гамбург, Германия).

Основные результаты изложены в 18 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура " о бьем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзорной главы, трех оригинальных глав и заключения. Содержание диссертации изложено на 100 страницах

машинописного текста, иллюстрировано 39 рисунками. Список литературы включает 184 ссылки.

Содержание диссертации

Во введении сформулированы цели и задачи работы, кратко изложено содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена обзору современного состояния исследований в области когерентной спектроскопии четырехволнового смешения возбужденных газовых сред и плазмы. Показано, что когерентная спектроскопия с резонансами гиперкомбинационного типа является эффективным методом исследования атомарной и ионной компонент таких сред, в том числе, и эрозионной лазерной плазмы.

В §1 рассматриваются основные соотношения, лежащие в основе поляризационной когерентной спектроскопии ЧВС. Показывается, что использование' "трехцветной" накачки позволяет независимым образом измерять антисимметричную и анизотропную составляющие рассеянного сигнала.

В §2 проводится сравнительный анализ основных схем спектроскопии ЧВС: когерентного антистоксова рассеяния света с резонансами на комбинационной частоте и на частоте рассеянного в антистоксову область излучения, вырожденного ЧВС, схемы сложения частот (в том числе, генерации третьей гармоники).

В §3 приводится обзор экспериментальных и теоретических работ, в которых различными методами линейной и нелинейной спектроскопии исследуются сильно возбужденные газовые среды. Как показывают эксперименты, эффективность нерезонансного чеггырехфотонного рассеяния в таких средах значительно выше, чем в невозбужденном нейтральном газе, что связано с заселением высоколежащих возбужденных электронных состояний, а

также попаданием частот излучений накачки в многочисленные квазирезонансы с частотами переходов между возбужденными состояниями атомов и ионов.

Эффективность чегырехфотонных процессов в возбужденных газовых и газоподобных средах открывает возможность их успешного применения для преобразования излучения в коротковолновую область. В §4 приводится обзор экспериментальных работ по использованию процессов ЧВС в получении когерентного перестраиваемого коротковолнового излучения.

Во второй главе списана экспериментальная установка дач спектроскопии ЧВС низкотемпературной эрозионной лазерной плазмы, а также методика проведения поляризационных измерений и приготовления возбужденной среды.

В § 1 описывается экспериментальная установка, предназначенная для когерентной поляризационной спектроскопии ЧВС низкотемпературной плазмы оптического пробоя у поверхности металлических мишеней, состоящая из системы создания лазерной плазмы, системы зондирования, системы регистрации и системы синхронизации. На выходе зондирующей системы имеется импульсное лазерное излучение (длительность импульсов т„=15 не и частота повторения до 10 Гц) грех длин волн (А.0=1.06 мкм, с энергией до 200 мДж; АрО.53 мкм, с энергией до 40 мДж; перестраиваемое Хк=0.56-0.59 мкм, с энергией до 5 мДж и шириной от 0.5 до 200 см"'). Поляризация излучения на длине волны Х0 оставалась фиксированной, а поляризации излучений на длинах волн изменялись с помощью двойного ромба Френеля. Система

синхронизации обеспечивала временную привязку импульсов создания лазерной плазмы и зонднрованш с точностью 0.1 мкс. Система регистрации на основе двойного решеточного монохромагора, оптического многоканального анализатора и персонального компьютера позволяла регистрировать участки спектра шириной до 2 нм.

В §2 описывается методика приготовления и управления параметрами лазерной плазмы. Система создания лазерной плазмы основывается на наносекундном Ш:УАО лазерном источнике умеренной мощности Р » 106 -

107Вт, излучение которого фокусируется на поверхность металлических мишеней ш свинца, нержавеющей стали, олова, алюминия цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 10 см, так что образующаяся лазерная искра, длиной около 1 см имеет плотность существенно меньше критической для излучения оптического диапазона Ке ~ 1017 - Ю20 см"3 и электронную температуру Те я 1 - 10 эВ. Поверхность мишеней не подвергалась специальной обработке, и все измерения проводились в атмосфере окружающего воздуха.

В §3 излагается методика широкополосной поляризационной спектроскопии четырехволнового смешения низкотемпературной лазерной плазмы. Использование широкополосного источника перестраиваемого излучения и применение оптического многоканального анализатора дает возможность провести эксперименты по широкополосной ЧВС спектроскопии. Этот подход позволяет исследовать интенсивность сигнала ЧВС в широком спектральном интервале за один лазерный импульс, что очень важно в условиях неустранимых флуктуации параметров гшазмы от импульса к импульсу. Кроме того, данный метод позволяет получать информацию о нескольких компонентах низкотемпературной лазерной плазмы из спектра, записанного за один лазерный импульс. Широкополосный спектр ЧВС в плазме оптического пробоя на поверхности свинца представлен на рис. 1. Важной специфической особенностью ЧВС спектров является чувствительность относительной интенсивности спектральных линий к направлению поляризации волн накачки и ориентации анализатора. Изменяя ориентацию векторов поляризации волн накачки удается выделить отдельные компоненты в спектре ЧВС.

Метод когерентной зллипсометрии применен в §4 для разрешения пары резонансов в спектре ЧВС плазмы оптического пробоя у поверхности мишени из нержавеющей стали. Представлены данные когерентной зллипсометрии для резонансов ^ - 5(? между возбужденными состояниями атомов железа (длина волны 361,8 нм) и переходом - 3Р° между возбужденными состояниями ионов азота N11 (длина волны 361,5 нм).

о

366

367

Длина волны А.

368

ЧЕС , HM

Рис. 1. Широкополосный спектр ЧВС (гочвс = co¡ + (о2 - а>ц), записанный за один лазерный импульс. Частоты волн накачки aig, (0¡ и со2 соответствуют излучениям: Nd:YAG лазера Ла=1,06мкм; его второй гармоники X¡=532hm; перестраиваемого лазера на растворе органического красителя Л2=5б0-590>ш. На вставке изображена взаимная ориентация единичных векторов поляризации ё0, e¡, ё2 волн накачки с частотами а>0, (o¡, cú¡ соответственно.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию низкотемпературной лазерной плазмы методом когерентной спектроскоп™ невырожденного ЧВС.

Важной задачей для различных спектроскопических приложений является определение количественных характеристик кубической поляршации сильно возбужденной среды вдали от атомарных и ионных резонансов. Такая компонента кубической поляризации среды имеет квазирезонансную природу, в частности, благодаря наличию квазирезонансного плазменного континуума. В § 1 обсуждается экспериментальная методика определения таких характеристик, основанная на измерении параметров поляризации сигнала четырехволнового смешения. На рис.2 представлены зависимости параметров эллипса поляризации квазирезонансного сигнала ЧВС (отношение полуосей эллипса

а)

б)

В) 1.8 1, о.е.

Л

I I

|

2а'

Is

Г I I

\ I 'l I

8 I I I I.

4 5 Т. US

< 5 , t |

III'''

M ' Т. lis

/<! У Р/ ——/ j? 01"1

Га/ V/ * У

« i г

5 T, ¡¡s

Рис. 2. Зависимость параметров эллипса поляризации tg(z) (о) и V (б) и

интенсивности сигнала четырехфотонного смешения (с) от времени задержки

между моментом создания лазерной плазмы и моментом зондирования.

Вставка 1. Схема процесса двухчастотного четырехволнового смешения (соцвс

= 2со1 -й)о, где а>о и (О) -частоты излучения лазера на ЛУ: У А С и его второй

гармоники) с участием состояний непрерывного спектра. Вставка 2.

Ориентация единичных секторов поляризаций взаимодействующих волн и

~ . - обя ¿т .

компонент нелинейной поляризации среды (г —г -г г , где г

нерезонансная компонента сигнала ЧВС , а кзирезонансная компонента -обусловлена заселением высоколежащих дискретных возбужденных состояний атомов и ионов и вкчадом состояний непрерывного спектра) при двухчастотном четырехволновом смешении.

в

1 г

4

поляризации Ь'а - tgx. где у - эллиптичность, и угол наклона главной оси эллипса поляризации 14л измеренный относительно поляризации нерезонансного аотистоксова сигнала в отсутствие плазмы оптического пробоя) в зависимости от времени задержки между моментом создания лазерной плазмы и моментом зондирования.

В §2 рассматривается возможность получения информации о частотных и временных зависимостях шгтерферирующих составляющих нелинейной поляризации среды третьего порядка на основании данных когерентной эллипсометрии. Получены выражения, устанавливающие связь между компонентами кубической поляризации среды и параметрами эллипса поляризации ЧВС сигнала, для случая произвольного соотношения амплитуд резонансной (квазирезонансной) и нерезонансной составляющих кубической поляризации среды. Развитый подход применяется для анализа данных ЧВС спектроскопии и когерентной эллипсометрии низкотемпературной лазерной плазмы. Показано, что при определенных условиях предложенная процедура обработки данных когерентной эллипсометрии позволяет восстановить спектральные и временные зависимости интерферирующих компонент поляризации среды третьего порядка.

В §3 экспериментально продемонстрирована возможность существенного увеличения эффективности процесса четырехволнового взаимодействия в лазерной атазме за счет гиперкомбинационных промежуточных резонансов с участием возбужденных атомных состояний. Исследован четырехфотонный процесс с резонансом на частоте перехода между элекгрошами состояниями атомов азота, возбужденных в плазме оптического пробоя. В схеме "трехцветного" четырехволнового взаимодействия (ю.№С = о>1 + ш2 - ю0) достигнута эффективность генерации излучения на длине волны 365 им с эффективностью 0.2% по отношению к энергии излучения лазера на красителе.

В четвертой главе рассматриваются вопросы методики построение двумерного отображения относительной населенности возбужденных состоянш атомов и ионов в плазме оптического пробоя.

В §1 рассматривается возможность использования метода построени; двумерного отображения для диагностики возбужденных газовых сред Приводится обзор экспериментальных работ по исследованию пламен процессов горения, молекулярных газовых потоков.

В §2 развивается экспериментальная методика двумерного отображени; относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов ] низкотемпературной плазме оптического пробоя, основанная на использованш техники когерентного четырехволнового смешения с резонансои гиперкомбинационного типа. Предложенная методика использована дл: исследования пространственного распределения возбужденных атомов и иоко: в лазерной плазме, создаваемой на поверхности металлической мишени. На рис 3 изображены карты интенсивности сигнала ЧВС с резонансами н возбужденных состояниях атомов свшща и азота. Для повышени чувствительности метода применена техника поляризационного управленн формой резонансов в спектре четырехволнового смешения.

В §3 исследуется возможность применения данного метода для отображени относительной концентрации резонансных частиц. Получены зависимосп интенсивности сигнала ЧВС от концентрации резонансных частиц

В §4 рассмотрено влияние эффектов фазового согласования ; однофотонного поглощения на эффективность четырехфотонных процессо! Экспериментально определены условия при которых сигнал рассеяния являете квадратичной функцией концентрации резонансных частиц, что позволяет п картам интенсивности антистоксова сигнала восстановить распределени концентрации резонансных частиц.

я 0.4О1 В

„ 0.3(Я N

0.20

0.10

-1

N

0.60 0.50 0.40« 0.30-

У, 111 т

1-1..........1"" —I----I—-г-"—I-г-—г

00 -0.60 -0.20 0.20 0.60 1.00

Г

эео

340 320

зоо

2 СО 260 240 2 20 200 1 80 160 1 40 1 20 1 00 О во

О 60 —' 0 40 —| О 20 • ООО

450 400 Э.50 300 250 200 1 50 1 00 050

.00 ' -0.60 ' -0.20 " 0.20

0.60 1.00

¥, мм

Рис. 3. Двумерное отображение пространственного распределения интенсивности сигнала ЧВС с резонансом на переходах атомов РЬ (а) и N (Ь) в лазерной плазме при продольном (см. геометрическую схему процесса на вставке) зондировании плазмы. Справа приведены шкалы интенсивности сигнала ЧВС в произвольных единицах.

В заключении сформулированы основные результаты работы;

1. Теоретически обоснована и экспериментально реализована схем; невозмущающего качественного и количественного анализ; низкотемпературной плазмы оптического пробоя у поверхности металлически: мишеней на основе техники широкополосной поляризационной спектроскопш ЧВС с резонансом гиперкомбинационного типа. Данная техника позволяс записать спектр многокомпонентной эрозиошюй плазмы оптического пробоя з; один 'лазерный выстрел, что дает возможность исключить влияни неустранимых флуктуаций параметров плазмы от импульса к импульсу н; точность спектроскопических измерений и позволяет получить информацию < совместном пространственном распределении различных компонент плазмы з один импульс лазерной системы.

2. Методом ЧВС спектроскопии с временным разрешением изучен эволюция низкотемпературной эрозионной лазерной плазмы и исследоваш нелинейно-оптические взаимодействия в возбужденных атомарных средах Измерено состояние поляризации квазирезонансного сигнала ЧВС из лазерно; плазмы. Показано, что эллиптичность поляризации сигнала ЧВС в условия; оптического пробоя обусловлена влиянием интерференции различны компонент тензора нелинейно-оптической восприимчивости среды, в том числе квазирезонансных связанных состояний атомов и ионов, заселяемых в условия: оптического пробоя, и влиянием состояний непрерывного спектра.

3. Продемонстрирована возможность использования ЧВС промежуточными атомными и ионными резонансами гиперкомбинационног типа в плазме оптического пробоя для эффективной генерации когерентног коротковолнового излучения. Использование резонанса гиперкомбинационног типа на частоте перехода между электронными состояниями атомов азотг возбужденных в эрозионной плазме оптического пробоя, позволяет увеличит эффективность преобразования лазерного излучения в коротковолновут область в схеме когерентного трехчастотного четырехволновог

взаимодействия на три порядка по отношению к квазирезонансному сигналу из эрозионной лазерной плазмы.

4. Метод когерентной эллипсометрии на основе ЧВС, обобщенный на случай спектральных линии произвольной формы, применен для исследования низкотемпературной эрозионной лазерной плазмы в спектральном и временном представлении. На примере пары близких нелоренцевых линий, наблюдающихся в спектре ЧВС из лазерной плазмы, показано, что развитый подход позволяет восстановить контур слабой линии и получить информацию о разности фаз резонансных составляющих ЧВС процесса. Развитая техника используется для разделения интерферирующих компонент поляризации среды третьего порядка во временном представлении.

5. Показано, что техника когерентного четырехволнового смешения с резонансом гиперкомбинационного типа может быть эффективно использована в качестве основы методики двумерного отображения относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов в низкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлических мишеней. С помощью данного метода экспериментально исследовано пространственное распределение возбужденных состояний атомов и ионов в многокомпонентной низкотемпературной лазерной плазме. Экспериментально определены условия, при которых рассеянный сигнал является квадратичной функцией концентрации резонансных частиц.

Материалы диссертации отражены з следующих публикациях:

1. Желтнков A.M., Коротеев Н.И., Сидоров-Бирюков Д.А. Особенности поляризации сигнала четырехфотонного рассеяния света в плазме оптического пробоя. //Квантовая Электроника, 1994, т.21. No.6, с.509-510.

2. Fedotov A.B., Koroteev N.I., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Novel Laser Methods for Measuring Nonlinear-Optical and Kinetic Constants of Excited

Gas Media arid Plasmas Using Coherent Multiphoton Spectroscopy. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. Suppl. Phys. Vibr., 1994, v.58, No.3, p.l 15 - 126.

3. Желтиков A.M., Коротеев Н.И., Наумов A.H. Сидоров-Бирюков Д.А. Когерентная эллипсометрия атомарных резонансов в спектре невырожденного четырехволнового смешения в плазме оптического пробоя. // Известия Академии Наук, сер. физическая, 1996, т.60, No.3, с.78-88.

4. Sidorov-Biryukov D.A., Akimov D.A., Zheltikov A.M., Koroteev N.I., Naumov A.N. Polarization-Sensitive Four-Photon Spectroscopy of Atoms and Ions in the Plasma of Optical Breakdown. // Las. Phys., 1996, v.6, No.3, p.456-467.

5. Сидоров-Бирюков Д.А., Желтиков A.M., Коротеев Н.И., Двумерное отображение относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов в лазерной плазме методами когерентной спектроскопии четырехволнового смешения. // Квантовая Электроника, 1996, т.23, No.2, с.101-102.

6. Akimov D.A., Fedotov A.B., Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Analazing the Two-Dimensional Distribution of Populations of Excited Atomic States in a Laser-Produced Plasma with the Use of Coherent Four-Wave Mixing. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. Suppl. Phys. Vibr., 1996, v.60, No.3, p.140-148.

7. Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Frequency- and Time-Domain Coherent Ellipsometry in Four-Wave Mixing. // Las. Phys., 1997, v.7, No.l, p.45-53.

8. Akimov D.A., Zheltikov A.M., Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B. Enhancing the efficiency of nonlinear-optical frequency conversion in a low-temperature laser-produced plasma due to an intermediate hyper-Raman resonance involving excited atomic states. // Las. Phys., 1997, v.7, No.l, p.99-103.

9. Fedotov A.B., Koroteev N.I., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Polarization-Sensitive CARS Measurements in Low-Temperature Plasma. // XII Euorpean CARS Workshop, Book of Abstracts, V-4

10. Koroteev N.I., Sidorov-Biiyukov D.A., Zheltikov A.M. Polarization-Sensitive CARS Spectroscopy Of Laser-Produced Plasma. // XIV Euorpean CARS Workshop, Book of Abstracts, Bermejo D., Ed., A-20

11. Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M., and Akimov D.A., Specific Features Of The Polarization Of The Signal Produced Via Four-Wave Mixing hi The Plasma Of Optical Breakdown. // 15th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Technical Digest, 1995, vol.11, p. 86 - 87

12. Sidorov-Biryukov D.A., Koroteev N.I., Zheltikov A.M., Fedotov A.B. Coherent Ellipsometry Of Atomic Resonances In The Spectrum Of Three-Color Four-Wave Mixing In The Plasma Of Optical Breakdown. // 15th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Technical Digest, 1995, vol.11, p. 88-89

13. Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Two-Dimensional Mapping of Spatial Distribution of Excited Atoms and Ions in Laser-Produced Plasmas Using Three-Color Four-Wave Mixing. // Int. Symposium Modern Problems of Laser Physics, Novosibirsk, 1995, Proceeding ed. S.N. Bagaev and V.I. Denisov, 1996, Novosibirsk, p.29-32.

14. Sidorov-Biryukov D.A., Koroteev N.I., Zheltikov A.M. Polarization-Sensitive Four-Photon Spectroscopy of Excited Gases and Laser-Produced Plasmas. // Int. Conf. Lasers' 95, Technical Digest, 1995, p. 25

15. Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Resolving Close and Overlapping Atomic and Ionic Lines in Spectra of Four-Wave Mixing in a Laser-Produced Plasma by Means of Coherent Ellipsometry. // XV Euorpean CARS Workshop, Book of Abstracts, B-l

16. Akimov D.A., Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Two-Dimensional Mapping of Spatial Distribution of Excited Atoms and Ions

in Laser-Produced Plasmas Using Three-Color Four-Wave Mixing. // XV Euorpear CARS Workshop, Book of Abstracts, A-l

17. Fedotov A.B., Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltiko\ A.M. Two-Dimensional Mapping of Spatial Distribution of Excited Atoms and Ions in Laser-Produced Plasmas Using Three-Color Four-Wave Mixing. // Proceedings o! the XVth Int. Conf. on Raman Spectr., Pittsburgh, USA ed. by S.A.Asher and P.Stein p. 1244.

18. Koroteev N.I., Naumov A.N., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Two-Dimensional Mapping of Spatial Distribution of Excited Atoms and Ions in Laser Produced Plasmas Using Three-Color Four-Wave Mixing. // 1996 Int. Conf. or Lasers and Electro-Optics Europe, Technical Digest, p.294.