Взаємодія інтенсивного лазерного випромінювання з речовиною

Попруженко Сергій Васильович

В роботах по фотоіонізації атомів і негативних іонів [1] дано теоретичне опис ефекту перерассеянія фотоелектронів в сильному лазерному полі, що виникає внаслідок взаємодії в кінцевому стані з атомним залишком і що приводить до появи в спектрах фотоіонізації електронів з великими енергіями - аж до 10 середніх коливальних енергій в полі лазерної хвилі, що становить, при напруженості поля лазерного порядку внутріатомної, кілька кілоелектронвольт. Основний внесок у теорію ефекту перерассеянія, спостерігався експериментально з 1994 року [2], полягає в побудові аналітичної Квазікласичне моделі, яка дозволила дослідити залежність виходу гарячих фотоелектронів від параметрів поля і атома і провести кількісне порівняння з експериментальними даними, що відносяться, в основному, до атомів благородних газів.

Виконано цикл робіт [3, 4] з проблеми вимушеної генерації високих гармонік лазерного випромінювання, що виникає при взаємодії інтенсивного інфрачервоного лазера з розрідженої атомарної мішенню у присутності слабкої пробної хвилі на частоті високої гармоніки того самого лазера. Задача про вимушеному випромінюванні високих гармонік в таких умовах поставлена і вирішена вперше. Зазвичай сумарний внесок вимушених процесів у інтенсивність випромінювання виявляється досить малим чинності високого ступеня компенсації процесів вимушеного випромінювання та поглинання, що має місце під час відсутності інверсної заселеності в мішені. Різні механізми руйнування рівноваги між випромінюванням і поглинанням, засновані на використанні ефекту віддачі, застосовуються в лазерах на вільних електронах. У випадку генерації гармонік в атомарних газах ефект віддачі занадто малий, щоб його можна було використовувати для помітного посилення хвилі.

В роботах [3, 4] запропонований принципово новий механізм руйнування симетрії процесів "випромінювання-поглинання", заснований на використанні когерентних коротких імпульсів накачки і пробної хвилі. Показано, що, будучи спрямованим в область взаємодії з газом з невеликою (що не перевищує тривалості імпульсу) тимчасовою затримкою по відношенню до імпульсу накачки, пробний імпульс потрапляє в умови, при яких процеси вимушеного випромінювання виявляються більш вірогідними, і тому повинен посилюватися. Ефект посилення може бути значним за рахунок фазового синхронізм атомарних випромінювачів, забезпечують квадратичну залежність інтенсивності хвилі від числа атомів у мішені, що звичайно спостерігається при спонтанної генерації високих гармонік.

На прикладі задачі про вимушене релеевском розсіянні двох когерентних лазерних імпульсів з близькими несучими частотами і неколінеарних хвильовими векторами [4] ефект вимушеного посилення за рахунок тимчасової затримки розглянуто в рамках безмодельного підходу. Такий механізм посилення не пов'язаний зі створенням збудженого стану робочого середовища до приходу в неї пробного імпульсу і тому є, разом з добре відомим прикладом когерентно заселеній трирівневої системи, однією з можливих реалізацією посилення без інверсії.

Розвинена Квазікласичне теорія двухелектронной іонізації атомів благородних газів полем сильного лінійно поляризованого лазерного випромінювання [5, 6]. Двухелектронная іонізація атомів сильним лазерним полем спостерігається з середини 80-х років. Тоді ж стало ясно, що в значній більшості випадків, особливо в полі з лінійною поляризацією, механізм вивільнення електронів з атома - некаскадний, тобто пов'язаний з присутністю електрон-електронного взаємодії.

Досягнутий в останні роки на установках типу COLTRIM значний прогрес у вимірі імпульсних спектрів іонів [7] та електронних пар [8] стимулював швидке розвиток теорії некаскадной подвійний іонізації атомів. Вперше досліджено питання про вплив механізму електрон-електронних кореляцій на форму імпульсного розподілу пар в площині поляризації випромінювання, і показано, що екранування кулонівського взаємодії виявляється досить істотною, особливо при не надто високої інтенсивності лазерного поля [6].

Виявлено кількісне згоду результатів розрахунків з експериментальними даними та сформульована програма подальших досліджень у цьому напрямку. У Зокрема, передбачений ефект резонансного збільшення ймовірності подвійний іонізації при проходженні кордону континууму через поріг n-фотонній одноразової іонізації, що є наслідком конструктивної інтерференції багатьох фейнмановскіх траєкторій, що призводять до переходу в один і той же кінцеве стан з двома електронами в континуумі [9].

В 2002 розпочато цикл робіт, присвячених дослідженням динаміки і іонізації нанотел, опромінюваних інтенсивними лазерними імпульсами. Взаємодія потужних лазерів з наномішенямі (тонкими плівками, атомарними, молекулярними та металевими кластерами) є одним з найбільш інтенсивно розвиваються напрямів останнього десятиліття в фізики сильних полів. Підвищений інтерес до кластерів та нанопленкам пов'язаний з тим, що під впливом інтенсивного лазерного поля вони стають джерелами ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 5 до 100, причому питома інтенсивність такого випромінювання, як і вихід багатозарядних іонів, істотно, на багато порядків, перевищує аналогічний показник для газових мішеней з атомів того ж сорту.

На основі мікроскопічною моделі взаємодії кластерів з лазерним випромінюванням, описує електронну підсистему у наближенні нестисливої неоднорідною рідини, вперше розглянуто задачу про порушення нелінійних коливань у кластері, електронна підсистема якого нагріта до температур в сотні електронвольт, і, по суті, є класичною [10]. Показано, що в умовах, характерних для сучасних експериментів із взаємодії кластерів з потужним лазерним випромінюванням, виявляється можливим трехфотонное збудження поверхневого плазмони і, як наслідок, виникнення сильного поля потроєною (по відношенню до зовнішнього лазерному полю) частоти як усередині кластера, так і поза його.

Резонансне збудження третій гармоніки усередині кластера запропоновано в якості одного з можливих механізмів, відповідальних за аномально високу ефективність освіти багатозарядних іонів і збудження многофотонних переходів в кластерах. Розглянуто ефект розсіювання світла на кластері з потроєною частоти. Обчислено перетин народження третього гармоніки лазерного випромінювання, дана оцінка його величини і досліджено поведінку залежно від параметрів кластеру та лазерного поля.

Генерація треті гармоніки лазерного випромінювання в кластерної мішені, що виникає за рахунок зазначеного механізму, виявлена в експерименті [11]. Дослідженнями нелінійної динаміки кластерів в інтенсивному електромагнітному полі внесений суттєвий внесок у розвиток нового наукового напрямку - оптики гарячих нанотел, не що мають властивість квазіелектронейтральності. У рамках цього напрямку розглянута задача про бесстолкновітельном загасання плазмових коливань (затухання Ландау) в невироджених електронної наноплазме. На основі формалізму Флуктуативно-дисипативної теореми отримано загальний вираз для декремент загасання плазмових коливань функціонально залежить від форми Гартрі потенціалу в нанотеле довільної розмірності з невироджених електронної підсистемою.

Список літератури

[1] С. П. Гореславскій, С. В. Попруженко, ЖЭТФ 117 (2000), С. 895;

[2] G. G. Paulus J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 27 (1994) L703;

[3] E. A. Nersesov, S. V. Popruzhenko, D. F. Zaretsky, P. Agostini, W. Becker, Phys. Rev. A 64 (2001) P. 023419;

[4] M. V. Fedorov, S. V. Popruzhenko, D. F. Zaretsky, W. Becker, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) P. 213001;

[5] S. V. Popruzhenko, S. P. Goreslavski, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 34 (2001) L239;

[6] S. P. Goreslavski, S. V. Popruzhenko, R. Kopold, W. Becker, Phys. Rev. A 64 (2001) P. 053402;

S. V. Popruzhenko, S. P. Goreslavski, Optics Express 8 (2001) P. 395;

[7] Th. Weber et al., Phys. Rev. Lett. 84 (2000) P. 443; R. Moshammer et al., Phys. Rev. Lett. 84 (2000) P. 447;

[8] M. Weckenbrock et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 34 (2001) L449;

[9] S. V. Popruzhenko, Ph. A. Korneev, S. P. Goreslavski, W. Becker, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) P. 023001;

[10] S. V. Fomichev, S. V. Popruzhenko, D. F. Zaretsky, W. Becker, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 36 (2003) P. 3817;

[11] G. Hays, in Book of Abstracts of International Workshop "Super-Intense Laser Atom Interactions - 2003 ", November 16-19, 2003, Southfork Ranch, Dallas, Texas, USA.