ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2D1D, том 1DS, № 5, с. 831-848
НЕЛИНЕЙНАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА
УДК 535.32
ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ПЛАЗМЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ НАНОКЛАСТЕРЫ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОЦВЕТНОЙ И ДВУХЦВЕТНОЙ НАКАЧЕК
© 2G1G г. Р. А. Ганеев***, H. Singhal*, P. A. Naik*, J. A. Chakera*, M. Tayyab*, A. K. Srivastava*, T. S. Dhami*, M. P. Joshi*, A. Singh*, R. Chari*, S. R. Kumbhare*, R. P. Kushwaha*, R. A. Khan*, R. K. Bhat*, P. D. Gupta*
*Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, 452D13 Indore, India **Institute of Electronics, Uzbekistan Academy of Sciences, 1DD125 Tashkent, Uzbekistan
E-mail: rashid_ganeev@mail.ru
Поступила в редакцию 28.07.2009 г.
Исследовано преобразование длины волны фемтосекундных лазерных импульсов в лазерной плазме, содержащей кластеры различной размерности (фуллерены, металлические наночастицы). В качестве преобразуемого излучения использованы импульсы титан-сапфирового лазера в сочетании с импульсами второй гармоники ортогональной поляризации. Проведен анализ вариаций эффективности генерации высших гармоник в условиях фазово-модулированных импульсов. Показано, что оптимизация компонент нелинейно-оптической плазменной среды, условий возбуждения плазмы одно- и двухцветной накачкой, а также фазовых и спектральных параметров преобразуемого излучения приводит к существенному повышению эффективности генерации высших гармоник.
ВВЕДЕНИЕ
Генерация высших гармоник (ГВГ) лазерного излучения в газах и лазерной плазме, а также при отражении от поверхностей твердых тел является хорошо разработанной методикой для создания источников когерентного излучения в дальней ультрафиолетовой (ДУФ) области спектра [1—3]. Существует ряд методик, позволяющих значительно модифицировать характеристики этого излучения для различных прикладных задач. В ряду этих методик значительную роль играет изменение чирпа лазерного излучения, которое позволяет изменять спектр и интенсивность генерируемых гармоник и соответственно анализировать высокоэнергетические ионные переходы в ходе взаимодействия мощных лазерных импульсов с веществом.
Перестройка длины волны излучения гармоник может осуществляться путем перестройки длины волны преобразуемого излучения [4, 5], чирпирования лазерного излучения [6—8], воздействия мощного излучения на атомные и ионные среды и соответствующего контроля за степенью ионизации нелинейной среды [9—12], а также путем адаптивного контроля с использованием специально сформированных лазерных импульсов [13, 14]. Следует отметить, что эффективная перестройка длины волны излучения гармоник в диапазоне нескольких нанометров с использованием чир-пированного излучения может быть достигнута
лишь в случае широкополосных источников лазерного излучения. В этом случае в процессе ГВГ участвует лишь передняя часть импульса. В случае положительно чирпированных импульсов передняя часть импульсов состоит преимущественно из длинноволновых компонент лазерного спектра, и спектр гармоник в этом случае смещается в длинноволновую область спектра. Аналогично в случае отрицательно чирпированных импульсов передняя часть импульсов состоит преимущественно из коротковолновых компонент лазерного спектра, и спектр гармоник в этом случае смещается в коротковолновую сторону. Широкополосные источники лазерного излучения позволяют получать широкополосное излучение гармоник и соответственно генерацию аттосе-кундных импульсов.
Фазовая самомодуляция (ФСМ) лазерных импульсов широко используется для генерации дополнительных частот в спектре генерации лазерного излучения. Введение оптических сред на пути прохождения мощных фемтосекундных импульсов (таких, как толстые стеклянные пластины) ведет к спектральному уширению лазерных импульсов в результате ФСМ. Такие импульсы обладают положительным чирпом в случае сред с положительным значением нелинейного показателя преломления и отрицательным чирпом в случае сред с отрицательным значением нелинейного показателя преломления.
Относительно малая эффективность ГВГ ограничивает применение излучения высших гармоник лазерного излучения. Различные методы, такие как фазовое согласование, резонансное усиление одиночных гармоник, использование наноструктурированных сред и т.д., используются для увеличения эффективности процесса ГВГ [15, 16]. Поиск новых подходов для повышения эффективности преобразования (п) в гармоники является актуальной задачей нелинейной оптики. Одним из методов увеличения интенсивности и энергетики импульсов гармоник в случае ГВГ в газах является использование так называемой "двухцветной" накачки (two-color pump). Под этим подразумевается использование излучения лазера и его второй гармоники в качестве источников преобразуемого излучения. Двухцветная накачка явилась практическим методом повышения эффективности ГВГ наряду с генерацией дополнительной группы четных гармоник [17—25].
Эта методика позволяет генерировать нечетные гармоники, превышающие по интенсивности гармоники, генерируемые в случае "одноцветной" накачки, т.е. при преобразовании лазерного излучения, генерируемого на одной длине волны (single-color pump). Возможность генерации четных гармоник с интенсивностью, сравнимой с интен-сивностями нечетных гармоник даже при относительно слабых уровнях энергии импульса второй гармоники, является очень привлекательной особенностью этого процесса. Отметим, что до сих пор он наблюдался лишь в экспериментах с "газовыми" гармониками, т.е. гармониками, генерируемыми при ГВГ в газах. Контроль фазовых соотношений между волнами основного излучения и второй гармоники позволил достичь п = 5 х 10-5 для 38-й гармоники титан-сапфирового лазера на длине волны 21.6 нм [24]. Другим интересным свойством этой схемы является возможность генерации аттосекундных импульсов в случае ортогонально поляризованных излучений накачки [17, 18, 21, 22].
Использование наночастиц в качестве нелинейной среды, как отмечалось выше, также приводит к заметному увеличению п [26—32]. Различные механизмы были предложены для обоснования этого процесса. К ним относят влияние сечения рекомбинации ускоренного электрона с частицей, из которой он был вытянут в результате туннельной ионизации. Это сечение рекомбинации выше в случае наночастиц вследствие их бoльшего размера по сравнению с атомарными частицами. Другой механизм — влияние плазмон-ных резонансов кластеров на эффективность нелинейно-оптических процессов. Рост локального поля в пределах наночастицы увеличивает ее нелинейно-оптический отклик. В частности, предсказано эффективное преобразование в гармоники для этого случая [33]. Увеличенная вероят-
ность внутриатомных рекомбинаций вследствие высокой локальной плотности наночастиц может служить еще одним фактором, способствующим росту интенсивности гармоник [34].
В этой связи интересным объектом могут служить фуллерены [35]. Их размеры (0.7 нм) и широкий (10 эВ) плазмонный резонанс вблизи 20 эВ (X = 60 нм) позволили продемонстрировать эффективную ГВГ вблизи этого резонанса [36]. Применение методики лазерной абляции фулле-ренов обеспечило создание относительно плотной фуллереновой плазмы (~5 х 1016 см-3), что существенно превышало ранее полученные плотности испаренных молекул С60 (~1014 см-3).
Все вышеизложенное позволило сформулировать ряд задач, которые следовало решить для существенного повышения п гармоник излучения титан-сапфирового лазера в плазменных средах. В данной статье излагаются результаты комплексных исследований этого нелинейно-оптического процесса с целью повышения интенсивности генерируемых гармоник и роста эффективности ГВГ. Мы представляем наши наблюдения усиленной ГВГ в условиях двухцветной накачки, когда интенсивность излучения 400 нм была в 50 раз ниже интенсивности излучения 800 нм. При этом были получены высокоэффективные четные и нечетные гармоники вплоть до 38-го и 45-го порядков соответственно. Анализ двухцветной накачки с ортогональными и параллельными поляризациями излучений с X = 800 и 400 нм показал преимущество ортогонально расположенных поляризаций волн накачки для этой схемы ГВГ. Приводятся результаты исследования спектральных вариаций гармоник при изменении чирпа преобразуемого излучения. Использование широкополосного преобразуемого излучения позволило достигнуть более широкой перестройки длины волны гармоник. Мы анализируем ГВГ в наночастицах серебра в условиях улучшенных характеристик мишеней, содержащих подобные образования. При этом получена высокая эффективность гармоник в диапазоне между 9-м и 19-м порядками. Нами продемонстрированы методы создания мишеней, содержащих наночастицы, при которых наблюдалась хорошая стабильность генерируемых гармоник. При этом также проявлялось значительное уширение спектра гармоник, генерируемых в плазме, содержащей нано-частицы серебра. Приводится сравнение ГВГ в наночастицах серебра и в наночастицах ряда других материалов. Мы также приводим результаты использования фуллереновой плазмы в качестве нелинейной среды для ГВГ. Эффективность генерации гармоник в области плазмонного резонанса С60 была близка к 10-4.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования генерации гармоник в лазерной плазме проводились с использованием титан-сапфирового лазера Центра передовой техноло-гии(Индор, Индия). Для создания лазерной плазмы на поверхностях мишеней использовалась часть чирпированного излучения, выделенная из общего пучка, прошедшего каскады усиления, которая направлялась в вакуумную камеру, содержащую различные мишени (см. вставку рис. 1). Это излучение предымпульса (энергия предым-пульса — до 30 мДж, длительность предымпульса — 210 пс, длина волны — 800 нм, частота следования импульсов — 10 Гц) фокусировалось сферической линзой с фокусным расстоянием 500 мм на мишени таким образом, чтобы диаметр пучка сфокусированного излучения составлял 0.6 мм, а интенсивность пикосекундного предымпульса (/пи) варьировалась с помощью нейтральных фильтров в пределах от 2 х 109 до 5 х 1010 Вт см-2.
Через образовавшуюся на мишенях плазму после некоторой задержки относительно начала лазерной абляции, варьируемой в пределах 6—60 нс, пропускалось сфокусированное излуч
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.