Экспериментальные исследования неидеальной плазмы

Экспериментальные исследования неидеальной плазмы твердотельной плотности…
П.С. КОМАРОВ, М.Б. АГРАНАТ, С.И. АШИТКОВ, А.В. ОВЧИННИКОВ, Д.С. СИТНИКОВ
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ
ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ, ОБРАЗОВАННОЙ МОЩНЫМИ
ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
Представлены экспериментальные исследования взаимодействия фемтосекундных инфракрасных импульсов хромфорстеритовой лазерной системы с алюминием толщиной 1 мкм, напыленными на стеклянную подложку. Получены
зависимости изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения алюминия на длине волны излучения 620 нм от интенсивности возбуждающего лазерного импульса в различные моменты времени от начала воздействия.
Введение
В данной работе были исследованы экспериментально оптические и транспортные свойства
сильно связанной плазмы, образующейся на поверхности мишени Al, при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью ≤ 1015 Вт · см–2. Такие лазерные импульсы приводят к образованию тонкого слоя плазмы твердотельной плотности с электронной температурой до
60 эВ. Мы изучали начальное состояние (≤ 1 пс) нагрева и расширения плазмы в условиях неразвитого гидродинамического движения ионов. В данной работе мы продолжаем ранее выполненные экспериментальные и теоретические исследования свойств плазмы Al [1] при воздействии
фемтосекундных лазерных импульсов с I ≤ 1014 Вт · см–2 на мишени. В отличие от работы [1], в
которой эксперименты осуществлялись на воздухе, увеличение интенсивности требует проведения
измерений в вакуумной камере.
Экспериментальная схема
Эксперименты были выполнены с использованием излучения тераваттной фемтосекундной лазерной системы на основе активной среды хром:форстерит, состоящей из задающего генератора,
стретчера, регенеративного усилителя с кольцевой схемой резонатора, усилителя мощности и
компрессора.
Задающий генератор с Z-образным резонатором [2] формировал импульсы фемтосекундной
длительности на длине волны 1250 нм с шириной спектра 50 нм по уровню 0,5 от максимального
значения интенсивности. Средняя мощность оптического излучения на выходе составляла
200 мВт, а энергия отдельного импульса достигала 2,3 нДж. Для усиления фемтосекундного лазерного импульса использовался метод CPA [3, 4].
В качестве первого каскада усиления был применен регенеративный усилитель с кольцевой
оптической схемой резонатора [5]. Достоинством используемой кольцевой схемы резонатора РУ,
по сравнению с широко распространенной линейной схемой, является отсутствие оптической развязки между усилителем и задающим генератором, в качестве которого обычно используется
ячейка Фарадея. При этом излучение регенеративного усилителя с кольцевым резонатором имеет
вдвое лучший контраст по сравнению с РУ с линейным резонатором. Контраст по интенсивности
между основным импульсом и предымпульсами, выходящими из РУ, составлял величину ~ 103.
Для получения эффективного усиления одиночного импульса в последующих каскадах усиления и
обеспечения более высокого контраста, необходимого для мощных фемтосекундных лазерных систем, после регенеративного усилителя использовалась схема улучшения контраста, состоящая из
двух скрещенных поляризаторов и ячейки Поккельса, расположенной между ними. Эта схема позволяла на три порядка улучшить контраст по интенсивности между основным импульсом и
предымпульсами.
Усиленный в многопроходных усилителях, чирпированный лазерный импульс сжимался временным компрессором. На выходе лазерной системы энергия импульса достигала 90 мДж при
длительности ~ 80 фс (FWHM) на длине волны излучения 1240 нм. При указанной длительности
лазерного импульса обеспечивается наилучший временной контраст.
Измерения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения были выполнены в схеме «pump-probe» измерений, совмещенной со схемой интерференционной микроскопии, собранной в вакуумной камере.
Временное разрешение данной схемы определялось длительностью зондирующего импульса и
составляло ~ 100 фс. Для создания плазмы на поверхности мишени использовалось рполяризованное излучение на длине волны 1240 нм, падающее под углом 45º. Изменение интенсивности на поверхности мишени осуществлялась изменением энергии нагревающего лазерного
ISBN 978-5-7262-1179-4. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2009. Том IV
1
Экспериментальные исследования неидеальной плазмы твердотельной плотности…
импульса. Излучение фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 70 мм в пятно размером 6
мкм × 9 мкм с гауссовым пространственным распределением в исследуемом диапазоне интенсивностей (5 · 1013 – 1015 Вт · см–2).
Для определения параметра r0 гауссова пучка применялась методика, предложенная в работах
[6, 7]. Характерный радиус r определяет область поверхности, в которой плотность энергии превышает пороговое значение, при котором возникает абляция мишени. Зависимость r2 как функция
логарифма энергии для гауссова профиля пучка имеет вид прямой линии (рис. 1). Пересечение
этой прямой с горизонтальной осью дает пороговое значение энергии. Наклон прямой определяется параметром r02 , где r0 параметр гауссова пучка.
Для зондирования плазмы, образующейся на поверхности мишени, использовалось излучение
на длине волны 620 нм (вторая гармоника), так как излучение на длине волны 1240 нм выходит за
спектральный диапазон чувствительности стандартных кремниевых ПЗС-матриц. Преобразование
излучения осуществлялось кристаллом LBO с эффективностью 40 %.
Схема интерференционной микроскопии (рис. 2), в которой зондирующий луч, отраженный от поверхности образца в области воздействия нагревающего импульса
(«объектный»), интерферирует с «опорным» лучом в плоскости ПЗС-матрицы, позволяет проводить измерения с
пространственным разрешением.
Пространственный фильтр
λ/
2
Рис. 1. Определение параметра гауссова пучка и пороговых значений энергии
абляции или плавления
ФД
Поляризаторы
Наг
ПЗС-камера
Узел линии
задержки
Образец
Светоделительная
пластина
Микро-объектив
Опорное зеркало
Рис. 2. Схема оптической микроскопии с временным разрешением
Микрообъектив (Г = 9, NA = 0,2) использовался для переноса изображения поверхности мишени в плоскость ПЗС-матрицы (1024  1024 пикс.) с увеличением М ~ 30. Тепловое излучение
плазмы отрезалось интерференционным светофильтром с пропусканием на длине волны
 = 620 нм, установленным перед ПЗС-матрицей. Используемая ПЗС-камера (SensiCam QE, производитель PCO CCD Imaging) позволяла регистрировать интерферограммы с разрядностью 12 бит.
В экспериментах использовались мишени, представляющие собой пленки чистого Al (99,9 %)
толщиной 1 мкм, напыленные на стеклянную подложку. По оценкам, толщина оксидной пленки
составляет не более 20 Å и не оказывает существенного влияния на процессы при взаимодействии
фемтосекундных лазерных импульсов с мишенью.
Для получения экспериментальных данных об изменении амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения исследуемых материалов на CCD-камеру записывались интерферограммы
при различных временных задержках зондирующего импульса относительно нагревающего. Для
каждой временной задержки записывались две интерферограммы: интерферограмма невозбужденной поверхности и интерферограмма поверхности при воздействии нагревающего импульса с
ISBN 978-5-7262-1179-4. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2009. Том IV
λ/2
2
Экспериментальные исследования неидеальной плазмы твердотельной плотности…
задержкой зондирующего импульса относительно нагревающего. Обработка интерферограмм позволяла получить пространственное распределение изменений амплитуды rind(x, y) и фазы ind(x, y)
комплексного коэффициента отражения, обусловленных воздействием нагревающего лазерного
импульса. Указанные изменения вычисляются по формулам:
ind(x, y) = tr(x, y) – in(x, y),
(1)
rind(x, y) = rtr(x, y) / rin(x, y),
(2)
где rtr, tr и rin, in – амплитуда и фазы комплексного коэффициента отражения для зондирующего
лазерного импульса на длине волны 620 нм, полученные для временного и начального кадров соответственно.
Результаты
На рис. 3 представлены экспериментальные данные изменений амплитуды rind и фазы Ψind комплексного коэффициента отражения плазмы, образующейся на поверхности исследуемых образцов Al, от интенсивности нагревающего лазерного импульса при различных значениях временной
задержки Δtdelay.
1,0
6
0,9
5
0,8
4
ind, рад
rind
0,7
0,6
0,5
0,4
1000фс
600фс
200фс
1000фс
600фс
200фс
14
10
2
Интенсивность, Вт/см
3
2
1
15
0
10
14
10
2
Интенсивность, Вт/см
15
10
а)
б)
Рис. 3. Зависимость изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы, образующейся на поверхности алюминия и серебра, в зависимости от интенсивности нагревающего лазерного импульса
При использовании полученных экспериментальных зависимостей для разработки теоретических моделей, описывающих процессы взаимодействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, важным параметром является значение поглощенной энергии нагревающего лазерного импульса. Для определения поглощения были проведены эксперименты по измерению отражения нагревающего лазерного импульса от мишени. В ходе эксперимента по калиброванному фотодиоду контролировалась падающая энергия греющего лазерного
импульса, и одновременно значение энергии, отраженной от мишени, измерялось паспортизованным измерителем энергии. Измерения проводились в широком диапазоне интенсивностей
(1012 ÷ 1016 Вт · см–1). По определенному коэффициенту отражения, пренебрегая диффузным рассеянием лазерного излучения [8], значение коэффициента поглощения можно оценить, используя
следующее выражение:
A = 1 – Eref /Einc,
(3)
где Einc и Eref – энергия падающего и отраженного лазерного импульса соответственно.
На рис. 4 показана зависимость величины коэффициента отражения мишени rself = Erefl /Einc от
интенсивности лазерного импульса (1012 ÷ 1016 Вт · см–2) для p- и s-поляризации на длине волны
излучения нагревающего импульса 1240 нм. Точность измерений определялась погрешностью измерителя энергий и не превышала 8 %.
ISBN 978-5-7262-1179-4. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2009. Том IV
3
Экспериментальные исследования неидеальной плазмы твердотельной плотности…
Коэффициент отражения Al
о
р-поляризация, 1240нм=45
1,0
0,8
Eотр/Eпад
0,8
Eотр/Eпад
Коэффициент отражения Al
о
s-поляризация, 1240нм, =45
1,0
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
12
10
13
10
14
10
15
10
16
10
12
10
13
10
14
10
15
10
16
10
2
Интенсивность, Вт/см
2
Интенсивность, Вт/см
а)
б)
Рис. 4. Коэффициент отражения мишени алюминия: а – p-поляризация, б – s-поляризация
Как видно из графиков, в случае р-поляризации коэффициент отражения монотонно уменьшается при увеличении интенсивности лазерного импульса и хорошо согласуется с рядом работ [9,
10]. При воздействии на мишень s-поляризованного излучения изменения коэффициента отражения значительно меньше, но при этом больше, чем в работах, опубликованных другими авторами.
Различия могут быть связаны с тем, что при фокусировке линзой с коротким фокусным расстоянием в пучке присутствует компоненты с p-поляризацией, за счет которых и происходит существенное изменение коэффициента отражения с ростом интенсивности лазерного импульса. Погрешность определения интенсивности в области воздействия определялась нестабильностью
энергии лазерного импульса и не превышала 5 %.
На основе полученных экспериментальных данных в настоящее время разрабатываются теоретические модели, существенно отличные от моделей, представленных в работе [1].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Агранат М.Б., Андреев Н.Е., Ашитков С. И. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т 85. С. 328.
Yakovlev V.V., Ivanov A.A., Shcheslavskiy V. // Appl. Phys. B. 2002. V. 74. P. 145
Pessot M., Squier J., Mourou G. // Opt. Lett. 1989. V. 14. P. 797.
Strikland D., Mourou G. // Opt. Commun. 1985. V. 56. P. 219.
Агранат М.Б., Ашитков С.И., ИвановА.А., и др. // Квант. электроника, 2004. Т. 34. С. 1018.
Von der Linde D., Shuler H. // J. Opt. Soc. Am. B 1996. V. 13. P. 216.
Mannion P., Magee J., E.Coyne E. et al. // Proc. SPIE 2003. V. 4876. P. 470.
Price D. F., More R. M., Walling R. S. et al. // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 252.
Grimes M. K., Rundquist A. R. et al. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 4010.
Chen L. M., Zhang J., Dong Q. L. et al. // Phys. of plasmas. 2003. V. 8. P. 2925.
ISBN 978-5-7262-1179-4. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2009. Том IV
4