Влияние многоэлектронных эффектов и концентрации частиц на резонансную генерацию высших гармоник когерентного излучения

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодня в быстро развивающемся направлении лазерных технологий и нелинейной оптики исследования по изучению влияния многоэлектронных процессов и концентрации частиц на генерацию высших гармоник для получения когерентного излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена представляются одними из перспективных направлений лазерной физики. При этом основное внимание уделяется повышению эффективности генерируемых гармоник в условиях резонанса и квазисинхронизма фаз взаимодействующих волн. Данные исследования имеет важное научноприкладное значение для практической реализации перспектив в области лазерной физики, нелинейной оптики, фемтосекундной голографии, генерации импульсов аттосекундной длительности, спектроскопии сверхбыстрых процессов. Выполнение условий резонансной генерации высших гармоник и квазисогласования фаз излучения накачки с излучением гармоник обеспечивает существенное увеличение эффективности преобразования энергии импульсов фемтосекундной длительности интенсивностью 10|4-1015 Вт/см2, используемых в качестве излучения накачки, в излучение гармоник. В связи с этим, возможности использования в практике генерации высших гармоник искусственных наноматериалов, имеющих сложную структуру, а также подобных эндоэдральным фуллеренам, остаются малоизученными. Востребованность темы диссертации показывает развитие методики генерации высших гармоник в плазменных образованиях, повышение эффективности нелинейного преобразования частоты при резонансной генерации высших гармоник, исследование наночастиц, образующихся в процессе лазерной абляции. Кроме того, создание высокоэффективных нелинейных элементов на основе метода лазерной абляции представляя особую значимость для решения важных проблем нелинейной оптики, дают возможность получения теоретических результатов по анализу концентрации лазерной плазмы. До сих пор влияние концентрации свободных электронов на эффективность генерации высших гармоник в плазмах и влияние концентрации частиц на генерацию высших гармоник остаются практически неизученными. Решение этих задач позволит установить основные закономерности и особенности резонансной генерации высших гармоник в реальных системах, имеющих практический интерес при создании высокоэффективных источников когерентного излучения и установлении важных научно-практических закономерностей. Настоящая диссертация в определенной степени посвящена решению задач, указанных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах» от 15 декабря 2010 года, а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является определение влияния многоэлектронных эффектов и концентрации частиц на резонансную генерацию высших гармоник. Научная новизна исследования заключается в следующих результатах: показано, что многоэлектронные эффекты приводят к резонансной генерации высших гармоник в результате неупругого рассеяния ускоренного электрона на ионе с возбуждением электронов иона на резонансный уровень; предложен механизм резонансной генерации высших гармоник, объясняющий результаты экспериментов по резонансной генерации высших гармоник и позволяющий оптимизировать процесс резонансной генерации высших гармоник на основе расчета оптимальных импульсов абляции и накачки; предложено использование неионизированной плазмы в качестве перспективной среды для наблюдения резонансной генерации высших гармоник, основанной на переходах в однократно ионизированных средах; на основе теоретических расчетов сдвига плазмонных пиков поглощения оболочки молекулы Сбо в эндоэдральных фуллеренах С&о+1п и Cf,o+Sb к соответствующим ионным резонансам внедренных полупроводников и сдвига максимума резонансного усиления группы гармоник к новым пикам плазмонного поглощения, показана возможность равномерного усиления группы гармоник в лазерной плазме, созданной испарением смеси эндоэдральных фуллеренов; разработан метод теоретического определения концентрации атомов, ионов и свободных электронов в плазме, основанный на учете усиления группы высших гармоник при квазисогласовании фаз в процессе лазерной абляции с использованием длинных импульсов абляции; выявлены механизмы ограничения эффективности преобразования частоты с ростом концентрации частиц лазерной плазмы углерода созданной с использованием импульсов абляции длительностью 8 пикосекунд и 10 наносекунд. предложена методика определения закономерности зависимости степени ионизации при заданной концентрации от длительности импульса абляции приводящая к усилению отдельной высшей гармоники в области плато более чем в 1000 раз при сочетании квазисогласования фаз и резонансных условий. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Впервые обеспечена надежная информация о спектрах резонансной генерации высших гармоник на основе точных потенциалов и близких к экспериментальным параметрах импульсов накачки. 2. Показано, что резонансная генерация высших гармоник обусловлена заселением резонансного уровня путем возбуждения внутренних электронов иона на резонансный уровень в результате неупругого рассеяния ускоренного электрона, а также последующей рекомбинацией электронов с возбужденного уровня в основное состояние с генерацией резонансной гармоники в результате вынужденного излучения, происходящего из-за влияния нерезонансной гармоники того же порядка. 3. Впервые проведено теоретическое моделирование генерации высших гармоник в плазме фуллеренов С60 методом временно-зависимой теории функционала плотности для случая полного моделирования вклада всех атомов углерода в молекулярное поле, при этом получено усиление гармоник в области поверхностного плазмонного резонанса фуллеренов Cf,oB 10 раз выше, чем вне данной области. 4. Показано, что в лазерной плазме эндоэдральных фуллеренов In С6() и Sb С60 происходит смещение максимума резонансного усиления группы высших гармоник относительно чистого С60 в связи с смещением максимумов плазмонного поглощения фуллереновой оболочки к атомарным резонансам включенных атомов. 5. Показано, что основным фактором, ограничивающим возможности повышения эффективности генерации высших гармоник за счет увеличения концентрации лазерной плазмы является нарушение условий согласования фаз с увеличением концентрации свободных элктронов. 6. Показано, что оптимальная в отношении эффективности преобразования (2x1 О'4) плазма индия может быть получена при использовании импульсов абляции длительностью 10 пикосекунд и интенсивностью 2x109 Вт см'2, тогда как оптимальная плазма хрома создается при использовании импульсов абляции длительностью 100 фемтосекунд и интенсивностью 10й Вт см'2, что связано с различными степенями ионизации резонансных уровней данных элементов. 7. Показано, что при коротких (порядка 100 фс) и интенсивных (более 10'1 Вт см'") импульсах абляции образуются наночастицы размером более 10 нм, которые усиливают генерацию высших гармоник в слабых полях за счет эффекта локального поля, а в сильных полях лишь снижают эффективную концентрацию излучающих диполей и свободных электронов. 8. Впервые разработана методика управления эффективностью резонансной генерации высших гармоник на основе контроля длительности и интенсивности возбуждающего импульса в плазмах с пространственно модулированной оптической плотностью.