Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 4, с. 286-291
© 2009 г. 25 августа
Эволюция фемтосекундной лазерно-индуцированной плазмы и процессов энергопереноса в микрообъеме Si02, регистрируемых методом генерации третьей гармоники
В. М. Гордиенко, Ф. В. Потёмкин, Я. М. Михеев
Физический факультет и Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова
119992, ГСП-2 Москва, Россия
Поступила в редакцию 3 июля 2009 г.
Предложен нелинейно-оптический метод зондирования эволюции плазмы и процессов переноса энергии в микрообъеме прозрачного диэлектрика по пробному сигналу третьей гармоники. Оценено время захвата электронов в ловушки (t = 150 ± 80 фс). На пикосекундном масштабе времен зарегистрировано убывание пробного сигнала третьей гармоники, которое может быть обусловлено изменением восприимчивости третьего порядка х® образца плавленого кварца, модифицированного лазерным излучением.
РАСБ: 52.70.Kz, 63.20.Kr, 72.20.Jv
Появление мощных фемтосекундных лазерных систем привело к возможности создания и изучения вещества в экстремальном состоянии [1-3]. При острой фокусировке (ИА ~ 0.4) 100-фемтосекундного лазерного импульса с энергией всего 1 мкДж в микрообъем конденсированной среды в фокальной плоскости линзы интенсивность излучения превышает 1013 Вт/см2. Это приводит к генерации свободных электронов за счет процессов многофотонной, туннельной и ударной ионизации. Концентрация электронов в плазме превышает 5 • 1019 см-3 при темпе ее образования более 1032 электр/с. В результате нагрева образовавшихся свободных электронов в поле лазерной волны вследствие взаимодействия с фоно-нами энергия электронов достигает величин 5-10 эВ [4]. После прохождения лазерного импульса происходит релаксация электронной плотности, термали-зация энергии (передача энергии от электронной в ионную подсистему), формирование и распространение ударной волны и последующее образование остаточной микромодификации в объеме среды [5-7].
В настоящий момент наиболее изученными являются процессы, которые протекают на временах в сотни фемтосекунд, то есть порядка длительности лазерного импульса [8,9]. Также ведутся исследования параметров "замороженных" лазерно-индуцированных микромодификаций [5]. В то же время процессы релаксации электронной плотности плазмы, сформированной в объеме среды, и передачи энергии от электронной подсистемы в ионный остов
^ e-mail: potemkineautomationlabs.ru
являются наименее изученными, а результаты часто противоречивы [10,11].
Для исследования динамики этих процессов в настоящей статье предлагается использовать нелинейно-оптический метод зондирования возмущенного состояния среды пробным импульсом сигнала третьей гармоники. Использование такой схемы имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционной регистрацией поглощения пробного излучения [8,9]. Во-первых, процесс генерации третьей гармоники (ГТГ) чувствителен к изменениям структуры среды ~ /(Д&, [х^]2) [12] из-за изменения фазовой расстройки Ак в результате модификации показателя преломления среды в плазме и кубической нелинейно-оптической восприимчивости среды х^- Последнее может возникнуть в результате развития процесса модификации исходного вещества в области взаимодействия и др. Напомним, что в изотропной среде сигнал третьей гармоники (ТГ), генерируемый остросфо-кусированным в ее центр лазерным излучением, равен нулю из-за деструктивной интерференции излучения ТГ до и после фокальной плоскости линзы [12]. Генерация свободных электронов при формировании плазмы в изотропной среде приводит к появлению сигнала ТГ вследствие изменения фазовых соотношений взаимодействующих волн. В дальнейшем этот эффект будем называть нарушением симметрии процесса ГТГ. В результате обеспечивается высокая контрастность регистрируемого сигнала ТГ. Во-вторых, принципиально важным является высокое пространственное разрешение метода, достигаемое при острой фокусировке
(И А ~ 0.4) излучения в среду: поперечное - порядка длины волны, продольное - менее длины Рэлея, а также высокое временное разрешение, которое меньше длительности импульса падающего излучения {тзш ~ Тимп х З-1/2). Отметим, что использование длинноволнового лазерного излучения, например системы на СпГо^егйе с длиной волны 1.24 мкм в качестве пробного, расширяет возможности метода, поскольку ее третья гармоника (413 нм) попадает в область прозрачности большого класса веществ. И, наконец, достаточная для уверенной регистрации в одном импульсе эффективность несинхронного процесса ГТГ достигается за счет использования высокой интенсивности пробного излучения вплоть до 1012 Вт/см2.
Предметом настоящей работы является диагностика эволюции фемтосекундной лазерно-индуцированной плазмы и процессов передачи энергии в микрообъеме плавленого кварца методом ГТГ пробного импульса на временах от 0.1 до 10 пс.
Экспериментальная схема. В экспериментах использовалось излучение лазерной системы на Сггби^егйе (А = 1.24 мкм, т = 140фс, Е = = 0.1^5мкДж, контраст излучения по интенсивности ~250). Схема эксперимента приведена на рис.1. Пластинка А/2 (1) с призмой Глана (2)
12
Рис.1. Экспериментальная схема: 1 - пластинка А/2, 2 - призма Глана, 3 - пластинка А/4, 4 - нейтральный светофильтр, 5 - делительная пластинка 50/50, 6 - делительные пластинки, 7 - нейтральные светофильтры, 8 - германиевые фотоприемники, 9 - призма Глана, 10 -полосовой фильтр (А = 410нм, ДА = 10нм), 11 - ФЭУ, 12 - ПЗС-камера
использовались для плавного изменения энергии лазерного излучения от 0.1 до 5мкДж. Далее излучение заводилось в схему интерферометра Майкельсона и с помощью полупрозрачной пластинки направлялось в равных пропорциях в пробный и возбуждающий каналы. Излучение в пробном канале ослаблялось нейтральным светофильтром (4). Энергия пробного импульса выбиралась ниже
порога ионизации исследуемого вещества. В пробном канале с помощью двойного прохода через пластинку А/4 (3) плоскость поляризации пробного излучения поворачивалась на тг/2. Излучение пробного и возбуждающего импульсов остро фокусировалось с помощью линзы с числовой апертурой МА=0.4 в микрообъем плавленого кварца (длина перетяжки Ъпер ~ 60 мкм, диаметр с1пер ~ 2 мкм). Излучение на выходе из образца коллимировалось с помощью линзы с МА=0.4. Выбор в качестве исследуемого объекта плавленого кварца связан как с наличием литературных данных по ряду его параметров, так и с изотропностью его структуры, которая приводит к отсутствию сигнала третьей гармоники из невозмущенного объема. При возникновении плазмы в микрообъеме плавленого кварца появляется сигнал третьей гармоники, причем ее поляризация совпадает с поляризацией лазерного излучения. Излучение пробного канала дискриминировалось от основного излучения канала с использованием призмы Глана (9). В эксперименте одновременно измерялись энергии падающего основного излучения и прошедшего через образец пробного импульса с помощью германиевых фотоприемников (8), а также энергия третьей гармоники пробного импульса с помощью ФЭУ (11), работающего в токовом режиме, перед которым устанавливался полосовой фильтр А = 410 ± 10 нм (10). Пространственное совмещение пробного и возбуждающего импульсов излучения производилось с помощью переноса изображения фокальной плоскости линзы на ПЗС-матрицу камеры (12). После каждого акта лазерного воздействия на мишень с помощью моторизованных трансляторов осуществлялось перемещение образца в перпендикулярной плоскости с шагом 20 мкм. Изменение задержки между возбуждающим и пробным импульсами излучения достигалось в пробном канале интерферометра Майкельсона за счет изменения положения зеркала с шагом 2.5 мкм (временной сдвиг 7.5 фс), осуществляемого с помощью моторизованного транслятора.
Результаты. Вначале нами был проведен эксперимент по определению порога формирования плазмы в микрообъеме плавленого кварца. В этом случае использовался только основной канал в интерферометре Майкельсона, а призма Глана (9) была ориентирована на пропускание поляризации основного излучения (рис.1).
В эксперименте плавно изменялась энергия падающего излучения, при этом одновременно регистрировались прошедшая через образец плавленого кварца энергия основного излучения и энергия третьей
гармоники. Полученные экспериментальные зависимости представлены на рис.2. Видно, что порог плаз-
4.0 - 1 2
3.5 -
3.0 -
^ 2.5
-
^ 1.5 -
1.0 0.5 1/ /
0 1
0 1 2
-I_I_I_1_
3
Еп (¿0
7 6
5 'Та
4!
з!
£
2 т
Ь-1
1 0
Рис.2. Экспериментальные зависимости прошедшей энергии (•) и сигнала третьей гармоники (А) в БЮг от энергии падающего излучения; 1 - порог плазмообразо-вания по сигналу третьей гармоники, 2 - порог плазмо-образования по поглощению, 3 - отсутствие поглощения
мообразования, определенный по нелинейному пропусканию в БЮг, составляет 1.8мкДж, а по началу развития процесса ГТГ оказывается 1.4мкДж. Это обстоятельство подтверждает преимущество использования процесса ГТГ по сравнению с традиционной методикой регистрации нелинейного пропускания. Отметим, что процесс ГТГ чувствителен к изменению электронной плотности уже на начальном этапе формирования плазмы. Таким образом, по исследованию динамики электронной плотности в микрообъеме БЮг было установлено, что энергия возбуждающего импульса должна лежать в области от 2 по 5мкДж. При этом энергия пробного импульса, как отмечалось выше, выбиралась ниже порога ионизации среды и находилась в диапазоне 0.1-1 мкДж.
Эксперименты по исследованию эволюции электронной плотности плазмы в микрообъеме плавленого кварца были проведены при следующих энергиях возбуждающего импульса (Евх = 2.3, 3, 3.5, 4, 5.3мкДж). Полученные экспериментальные результаты представлены на рис.3.
Процесс ГТГ испытывает в плазме влияние двух конкурирующих механизмов. С одной стороны, это возникновение неоднородности (асимметрии), с другой стороны, увеличение фазовой расстройки Ак между основным излучением и сигналом третьей гармоники. Поскольку в плазме показатель преломления среды зависит от электронной плотности пе следующим образом: п(А) = По(А) — пе/2псг(Х), где псг{А) - критическая электронная п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.