Генерация ультракоротких электронных импульсов с помощью

УДК 535.215
А.В. Арсенин1, А.Д. Гладун1, В.Г. Лейман1, У.М. Маннун1, В.П. Тараканов2,1
1
Московский физико-технический институт (государственный университет)
2
Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН
ГЕНЕРАЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ИМПУЛЬСОВ С
ПОМОЩЬЮ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
В настоящее время проводятся интенсивные исследования по ускорению электронов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов малой интенсивности
~ 1010 Вт/см2 до энергий ~ 1 кэВ. Это явление интерпретируется как внешний аномальный фотоэффект, который реализуется в тонкопленочных (< 100 нм) структурах за счет
возбуждения поверхностных плазмонов и их взаимодействия с первичным излучением
лазера. Известны две схемы, в которых наблюдается этот эффект – геометрия
Э. Кречмана (диэлектрик/металл/вакуум) [1] и геометрия Куперстича (вакуум/металл/металл) [2]. На рис. 1 представлена схема ускорения электронов в рамках
геометрии Кречмана.
Отметим, что внешний аномальный фотоэффект указывает на возможность реализации внутреннего аномального фотоэффекта в полупроводниковых многослойных
наноструктурах. Реализация этого эффекта позволит получать интенсивные электронные импульсы фемтосекундной длительности в различных наноустройствах.
Рис. 1. Схема аномального ускорения электронов в геометрии Кречмана.
Рис. 2. Распределение энергии электромагнитного поля в плоскости x–z. Максимумы
расположены вдоль внешней поверхности (металл/вакуум) металлической пленки.
До настоящего времени нет полного представления о физических механизмах,
определяющих аномально высокий выход высокоэнергетичных электронов с поверхности тонких пленок. Считается, что выход и ускорение электронов происходит под действием пондеромоторных сил, возникающих вследствие значительного градиента электрического поля в скин-слое. Экспериментальное определение поля (~ 109 В/см) в по-
верхностном слое размером менее 100 нм затруднительно. Поэтому для понимания физики аномального фотоэффекта представляется перспективным использование методов
численного моделирования [3].
В работе представлены результаты численного исследования процессов возбуждения поверхностных плазмонов в рамках геометрии Кречмана. На рис. 2 представлено
распределение энергии электромагнитного поля в плоскости x-z, которое иллюстрирует
возбуждение и распространение поверхностных плазмонов (максимумы на поверхности раздела металл/вакум) вдоль поверхности металлической пленки. Моделирование
выполнено в x-z геометрии на основе электромагнитного кода KARAT [4]. Этот код
cамосогласованно решает уравнения Максвелла с помощью явных консервативных по
энергии разностных схем с перешагиванием на сдвинутых сетках, имеющих второй порядок точности по координатам и времени, а также релятивистские уравнения движения частиц методом «частица в ячейке». Для описания свойств металлической пленки
используется общепринятая модель Друде-Лоренца, однако в отличие от работы [3], в
нашей работе учитывается пространственная дисперсия.
Работа поддержана грантом РФФИ № 05-01-00790 и Российским федеральным
агентством по образованию.
1.
2.
3.
4.
Irvine S.E., Dechant A., Elezzabi A.Y. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 184801.
Kupersztych J., Raynaud M. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 147401.
Irvine S.E., Elezzabi A.Y. // Phys. Rev. A. 2006. V. 73. P. 013815.
Tarakanov V.P. User’s Manual for Code KARAT. - Springfield, VA: Berkley Research,
1992.