Рентгеновское излучение высокотемпературной приповерхностной плазмы, индуцируемой мощными фемтосекундными лазерными импульсами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ 0 ■ Ьй

2 8 МАР 1994 и

московским государственный университет

им.М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КОЛЧИН Валерий Владимирович

УДК 621.373.826 : 533.9

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВЫТОКСЛТМПЕРЛ'! УР1 ¡ОЙ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАЗМЫ, ИНДУЦИРУЕМОЙ МОЩНЫМИ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

01.04.21 — лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

\

Москва 1994 г.

ОБЩАЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в разработке и создании мощных фемтосекундных лазерных систем, вызвал возникновение и развитие нового направления в лазерной физике, связанного с изучением высокотемпературной плазмы, возникающей при воздействии фемтосекундного импульса на поверхность твердотельной мишени. Уникальные свойства такой фемтосекундной лазерной плазмы (ФЛП) являются предметом пристального экспериментального И теоретического изучения.

Современный уровень экспериментальной лазерной техники позволяет при фокусировке фемтосекундных импульсов получать плотность мощности на мишени 10'"* — 10'® Вт/см-. Сверхбыстрый нагрев вещества мишени приводит к образованию многократно ионизованной плазмы с температурой электронов в сотни эВ. В результате нагреваема» поверхность становится источником интенсивного излучения в мягком рентгеновском диапазоне. Рентгеновское излучение ФЛП представляет интерес с точки зрения как фундаментальных, так и прикладных исследований. Рентгеновские спектры ФЛП содержат недоступную ранее информацию об уникальном состоянии вещества, сочетающем высокую плотность и температуру. Среди приложений источников некогерентиого рентгеновского излучения на основе ФЛП отметим микроскопию биологических объектов и твердых тел, микролитографию, новые схемы рентгеновских лазеров.

Выполненные к настоящему времени эксперименты позволили измерить энергию и длительность импульсов рентгеновского излучения ФЛП для различных типов лазеров и материалов мишеней. Получена спектроскопическая информация об излучении ФЛП в мягком рентгеновском диапазоне. Предпринимаются попытки интерпретации экспериментальных результатов на основе теоретических моделей различной степени сложности.

Многообещающие" перспективь1, связанные с использованием рентгеновского излучения ФЛП, ставят на повестку дня вопрос о разработке методов оптимального выбора параметров лазера, схемы облучения и материала мишени для получения рентгеновского источника с заданными характеристиками.

Методы теоретического исследования, хорошо отработанные при изучении характеристик рентгеновского излучения наносекундной лазерной плазмы, требуют критического осмысления и, возможно, модификации и

4. Разработка методики оптимального выбора мишени для получения рентгеновского излучения в заданном спектральном интервале.

Научная новизна.

1. Впервые детально проанализирована задача расчета пространственно-временной динамики температуры, плотности и ионизационного состава ФЛП, и последующего определения излучательной способности плазмы в мягком рентгеновском диапазоне. Рассмотрены границыприменимости некоторых упрощающих предположений, лежащих в основе двухтемпературной одножндкостной газодинамической модели плазмы.

2. Выполнен сравнительный анализ роли гидродинамических, теплопроводных и ионизапионно-рекомбинашюнных процессов в формировании импульсов рентгеновского излучения ФЛП для различных режимов облучения мишени.

3. Проанализирована зависимость длительности, энергии и пиковой яркости рентгеновских импульсов от параметров лазерного излучения: энергии, длительности, уровня предварительного прогрева мишени. Выявлены пути достижения максимальной эффективности конверсии лазерного излучения в рентгеновское.

4. Проведено сравнение характеристик рентгеновского излучения из различных мишеней при одинаковых параметрах инициирующего лазерного импульса. Исследована зависимость длительности рентгеновского излучения от атомного номера мишени. Проанализирована зависимость излучательной способности плазмы различных элементов от интенсивности лазерного излучения.

Практическая значимость.

1. Результаты диссертационной работы могут быть применены для теоретической интерпретации данных, получаемых при экспериментальном исследовании процесса генерации мягкого рентгеновского излучения в ФЛП.

2. Материалы диссертации могут использоваться как при совершенствовании существующих, так и при разработке новых схем источников мягкого рентгеновского излучения, в том числе содержащих многослойные рентгеновские зеркала.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Генерация рентгеновского излучения в ФЛП может быть адекватно описана на основу двухтемпературной одножидкостной гидродинамической модели плазмы.

теоретических работ по генерации мягкого рентгеновского излучения в ФЛП, сформулирована цель работы и кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава содержит описание физико-математической модели ФЛП. Сформулирован подход к исследованию излучательных характеристик плазмы. Рассмотрены основные физические процессы, определяющие пространственно-временную динамику температуры, плотности и степени ионизации плазмы. Определены основные режимы взаимодействия светового поля с разлетающейся плазмой. Проанализированы основные механизмы собственного теплового излучения плазмы.

Постановке задачи о генерации рентгеновского излучения в ФЛП посвящен §1.1. Приведены основные уравнения для плазменных величин — температуры, плотности, степени ионизации. Для описания физических процессов, протекающих в лазерной мишени, использовано одномерное одпожидкостное двухтемпературное гидродинамическое приближение. При этом общая система уравнений распадается на три группы. Первая, гидродинамическая группа описывает движение вещества в пространстве. Вторая группа уравнений описывает поглощение лазерной энергии, ее перенос и перераспределение между компонентами плазмы. Третья группа уравнений связана с расчетом ионизационного состава плазмы, то есть распределения ионов по степеням ионизации, а также по основным и возбужденным состояниям. Обсуждена применимость традиционного описания лазерной плазмы к ФЛП, характеризуемой экстремальными параметрами -- высокой плотностью, малыми характерными временами процессов и др.

В §1.2 рассмотрено описание электронной теплопроводности плазмы. Даны выражения для классического диффузионного потока и

предельного баллистического потока qpc¡ . Проанализирована возможность моделирования ограничения теплового потока с] путем расчета по формуле

ч'1 = чэн ' + (£ чгя )•'

где f — так называемый ограничитель потока, значение которого подбирается из сравнения либо с более точными теоретическими расчетами, либо с экспериментальными данными.

§1.3 посвящен обсуждению роли гидродинамических процессов в динамике ФЛП. Приведено автомодельное решение задачи об изотерми^ском истечении плазмы в вакуум. Рассмотрен вопрос об оценке

свободные переходы электронов, которым соответствуют линейчатое, фоторекомбинационное и тормозное излучение. Даны выражения для объемной мощности излучения, выделены области, занимаемые на шкале энергий квантов различными механизмами излучения. Проанализирована допустимость предположения о прозрачности плазмы для собственного излучения. Рассмотрены соответствующие ограничения снизу на глубину слоя излучающего вещества. Проведено сравнение качественного вида спектров, получаемых при облучении легких и тяжелых мишеней.

Методики численного интегрирования различных уравнений, составляющих полную самосогласованную систему, приведены в Приложении.

Во второй главе изучена генерация в ФЛП рентгеновского излучения, соответствующего лаимановским линиям Н- и Не-подобных ионов. Изложено описание используемой атомной модели и анализ ее точности. Выявлены физические процессы, определяющие длительность, энергию и пиковую яркость • рентгеновских импульсов. Проанализирована зависимость характеристик рентгеновских импульсов от параметров лазерного излучения.

В §2.1 описана модель, используемая для расчета характеристик рентгеновского излучения высокоиопизоваиных легких атомов. Спектры излучения плазмы легких элементов (бериллии, бор, углерод) состоят из отдельных хорошо разрешенных линий, соответствующих в основном переходам Ь2 — Ъпр и !з — ар Не- а Н-подобных ионов соответственно. Используемая модель позволяет вычислять мощность излучения на переходах — 1&2р Не-подобного и — 2р Н-подобного ионов. Соответствующая система атомных уровней включает основное состояние ¡^¡-подобного иона, основные и первые возбужденные состояния Не- и Н-подобных ионов и полностью ионизированный атом. Исследован вопрос о чувствительности получаемых результатов к количеству учитываемых в модели возбужденных состояний. Обсуждена роль эффектов, связанных с тонкой структурой атомных уровней.

Целью исследований, результаты которых излагаются в §2.2, является изучение физических закономерностей, определяющих параметры импульсов линейчатого рентгеновского излучения ФЛП. Рассмотрено влияние гидродинамики мишени и электронной теплопроводности на ^"процесс излучения. Проведено сравнение результатов вычислений с использованием нестационарной и квазистационарной кинетики ионизации. • -

неподвижной мишени предсказывает более высокую температуру и, соответственно, большую яркость излучения.

Влияние электронной теплопроводности на характеристики рентгеновского излучения исследовалось путем варьирования уровня ограничения теплового потока. Случаи Г = оо соответствует неограниченной диффузионной теплопроводности, Г = 0.1 — базовой модели, а Г = 0.001 — сильно подавленной теплопроводности. Сравнение параметре» рентгеновского излучения, полученных при различных значениях Г, показьшг.ет, что величина теплового потока не оказывает выраженного влияния на длительность рентгеновского импульса. Однако, от величины I сильно зависит пиковая яркость излучения. Чем выше предельный тепловой поток, тем больше пиковая яркость, тем больше эффективность конверсии. Уменьшение теплового потока вызывает два последствия, оказывающих противоположное влияние на яркость рентгеновского излучения. I 1ервое состоит в том, что увеличивается пиковая температура плазмы, вызывая увеличение объемной мощности излучения. Второе состоит в уменьшении глубины слоя горячей плазмы. Второй эффект оказывается доминирующим.

Для выявления роли нестанионарнистн кинетики ионизации в определении параметров рентгеновского излучения был выполнен ряд расчетов, в которых населенности уровнен полаг^чись равными термодинамически равновесным. Результаты этих расчетов сравнивались с предсказаниями базовой модели. Режим холодной мишени характеризуется высокой плотностью электронов, достигающей Ю-3 см-3.

Скорости ударных атомных процессов при этом превышают 1015 с'1 , поэтому населенности атомных уровнен следуют своим равновесным значениям. Предсказания базовой и "квазистационарной" модели в этом случае отличаются очень мало. В разлетающейся плазме (режим предварительно нагретой мишени) плотность электронов близка к критической (10^- см для 308 нм), скорости ударных процессов как минимум на порядок меньше, поэтому населенности уровней могут отличаться от термодинамически равновесных.

Полученные результаты показывают, что пик рентгеновского излучения приходится либо на момент окончания лазерного нагрева, либо задержан еще больше относительно лазерного импульса. При достаточно высокой интенсивности лазерного излучения (1017 Вт/см- для 0.3 мкм и 101Г) Вт/см2 для 1 мкм) световое давление превышает кинетическое, а максвелловское

адиабатическое охлаждение плазмы вследствие разлета формирует задний фронт рентгеновского импульса.

Вопрос о прозрачности плазмы для собственного теплового излучения может быть выяснен путем сравнения расчетного значения пиковой яркости рентгеновского излучения с яркостью излучения абсолютно черного тела с температурой, равной пиковой температуре плазмы. Сравнение показывает, что при интенсивностях до 1017 Вт/см- яркость излучения эквивалентного черного тела выше. Следовательно, положенное u priori в основу модели предположение о прозрачности плазмы для собственного излучения непротиворечиво.

Результаты изучения зависимости параметров рентгеновского излучения от протяженности L разлетающегося слоя испаренного вещества мишени состоят в следующем. Эффективность конверсии и длительность импульса монотонно растут по мере увеличения L от 0 до 10 мк.м.. Зависимость пиковой яркости является немонотонной и характеризуется быстрым ростом, который затем сменяется относительно медленным спадом.

Интерпретации результатов экспериментов по изучению генерации рентгеновского излучения и ФЛП с помощью многослойных рентгеновских зеркал, выполненных в Лаборатории нелинейной оптики им. Р.В.Хохлова, посвящен §2.4. В качестве объекта сравнении экспериментальных и теоретических результатов выбраны данные по зависимости эффективности конверсии в излучение плазмы бора на длинах волн 6.10, 4.85 и 4.52 нм от интенсивности лазерного излучения. Первые две длины волны приблизительно соответствуют переходам Is2 — ls2p иона В3+ и Is — 2р иона В'4"1'. Третья длина волны лежит на участке спектра, соответствующем фоторекомбинацни ' в основное состояние иона В3+. В эксперименте в широком диапазоне интенсивиостей лазерного излучения максимальная эффективность конверсии соответствовала излучению на длине волны 4.85 нм, затем следовали излучение на длине волны 6.10 и 4.52 нм, причем отношение эффективности конверсии на длинах волн 4.85 и 6.10 нм достигало 20. Численные эксперименты, выполненные в предположении, что реализуется режим холодной мишени, предсказывают максимальный рентгеновский выход на длине волны 6.03 нм. Вместе с тем, предположив, что перед приходом фемтосекундного импульса над мишенью уже существует V, разлетающаяся плазма с протяженностью 1 мкм, можно получить правильное соотношение между интенсивностями линий. Однако, максимальное

основанный на том, что спектр излучения плазмы тяжелых элементов имеет вид квазиконтинуума, образованного наложением большого числа характеристических линий. Для вычисления мощности излучения в узкий интервал использовано усреднение по спектру мощности излучения в относительно широкий интервал, размер которого превышает погрешность, заложенную в водородонодобной модели атомной структуры. Отличие результатов, полученных усреднением по различным интервалам, не превышает 50%.

Зависимость параметров рентгеновских импульсов от атомного номера мишени изучена в §3.3. Выполнено сравнение параметров рентгеновского излучения плазмы олова и вольфрама, попадающего в интервал энергий квантов 368±5 эВ сравниваются с характеристиками излучения углеродной плазмы на переходе Ь — 2р нона 0+ (энергия перехода 368.5 эВ). Параметры лазерного излучения взяты равными 308 им, 500 фс, Ю'^ Вт/см^. Рассмотрено взаимодействие с мишенями, имеющими твердотельную плотность. ?

Характерная черта временных зависимостей яркости рентгеновского излучения состоит в укорочении импульса по мере возрастания «томного номера мишени. Вместе с тем, энергия и инковая яркость излучения увеличиваются. Исследование зависимости эффективности конверсии от интенсивности лазерного излучения показывает, что излучение более тяжелых мишеней появляется при больших интенсивностях. Однако, при достаточно высокой интенсивности максимальная эффективность конверсии достигается с <®

использованием самой тяжелой мишени.

В Заключении суммируются основные результаты проведенных исследований:

1. Использование двухтемпературной одножидкостной гидродинамической модели плазмы позволяет определить различные характеристики импульсов рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы.

2. Облучение твердой мишени фемтосекундным импульсом при отсутствии предварительного нагрева позволяет обеспечить поглощение большей части лазерной энергии в плазме с плотностью, близкой к твердотельной. \

3. Длительность рентгеновского импульса определяется адиабатическим охлаждением плазмы при разлете и слабо зависит от величины теплового

' Л ' -

3. В.В.Колчин. Фемтосекупдпая твердотельная лазерная плазма как источник рентгеновского излучения // 1 езнсы XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, -- Ленинград, 1991, Г. 1, С.101.

4. В.В.Колчин. Оптические характеристики лазерной плазмы на начальной стадии разлета // Известия РАН, сер.физическая, 1992, 1 .56, N9, С.67-70.

5. V.V.Koichin, V.T.Platonenko. Subpicosecond x-ray emission from a near-surface laser-produced plasma // Laser Physics, 1993, V.3, N4, P.849-854.