Учреждение российской академии наук институт прикладной физики (ипф ран)

5 Методы генерации сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения терагерцового и дальнего ИК диапазонов в лазерной плазме в газах высокого давления В последнее время ведутся активные исследования возможности использования терагерцового излучения в области материаловедения, контроля состояния окружающей среды, дистанционной идентификации взрывчатых и опасных химических веществ и т.д. [11]. Неионизирующий характер терагерцового излучения (ТИ) открывает широкие возможности для его использования в биологии и медицине; прошедшее и отраженное от биологических объектов излучение несет значительную информацию для анализа. Измеряя спектральные характеристики (амплитудные и фазовые) прошедшего излучения (например time-domain методами) удается исследовать структурные особенности объектов. Один из переспективных методов генерации ТИ связан с детектированием фемтосекундных лазерных импульсов при оптическом пробое газов [12-15]. В работе [16] и последующей [17] было предложено использовать лазерную искру, создаваемую при аксиконной фокусировке оптического излучения в атмосфере, для генерации ТИ. Для генерации и регистрации ТГц излучения используется фемтосекундная лазерная система «Spitfire» обладающая следующими параметрами: энергия импульсов – 2,5 мДж, длительность – 50 фс, центральная длина волны – 780 нм, частота следования импульсов – 1кГц, диаметр лазерного пучка – 12 мм. Фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются аксиконной линзой из плавленого кварца с углом при основании 150. В фокальной области аксикона возникает искра длиной ~ 15 мм. С помощью тефлонового аксикона и системы параболических зеркал генерируемые низкочастотные импульсы фокусируются на поверхность электрооптического кристалла, который служит в качестве детектора терагерцового излучения. На рисунке 5.1a изображена типичная временная зависимость поля импульса низкочастотного электромагнитного излучения. Энергия импульса сосредоточена практически в одной осцилляции поля с масштабом порядка 1 пс. Соответствующий спектр приведен на рисунке 5.1b. Зависимость энергии терагерцового излучения от энергии лазерного импульса носит ярко выраженный пороговый характер (рисунок 5.1c). Порог генерации терагерцового излучения, по-видимому, определяется порогом ионизации (появление значительного количества заряженных частиц). При использовании излучения с циркулярной поляризацией вместо линейной, пороговое значение поля возрастает в два раза. Увеличение энергии возбуждающего лазерного импульса выше порогового значения сопровождается возрастанием амплитуды ТИ по линейному закону. При достижении максимальной для данной установки амплитуды импульса накачки наблюдается тенденция к насыщению роста амплитуды ТГц излучения. Увеличение длительности лазерного импульса при постоянной его энергии приводит к уменьшению эффективности генерации. При наложении постоянного электрического поля заметного увеличения терагерцового сигнала не наблюдается. Для измерения диаграммы направленности и поляризации терагерцового излучения в качестве детектора использовался InSb болометр. Диаграмма направленности ТГц излучения определялась при помощи непроницаемого экрана с отверстием, который крепился на двухкоординатной подвижке и перемещался в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения. Видно (см. рисунок 5.2a), что диаграмма направленности терагерцового излучения представляет собой конус с углом раскрыва, примерно совпадающим с углом фокусировки аксиконной линзы. Для исследования поляризационных характеристик терагерцового излучения использовался поляризатор. Преимущественное направление поляризации определялось по величине сигнала при вращении поляризатора вокруг оси. Исследование показало что излучение линейно (радиально) поляризовано (см. рисунок 5.2b). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что порог генерации ТИ связан с оптическим пробоем газа. Длительность терагерцового импульса заметно превышает длительность фемтосекундного импульса. Это означает, что источником ТИ являются колебания плазменного столба, возникающие в процессе оптического пробоя. Для определения источника ТИ рассмотрим последовательно процессы, происходящие в системе. Сначала исследуем формирование плазменного столба в самосогласованном режиме, взаимодействия лазерного излучения с плазмой. На втором этапе рассмотрим возбуждение колебаний плазменного столба. На заключительном, третьем этапе проанализируем структуру поля излучения плазменного следа. Для описания самосогласованной эволюции лазерного импульса в условиях пробоя воспользуемся следующим уравнением: (1) где – концентрация ионов плазмы, – сопутствующее время, определенное как Уравнение (1) описывает безотражательное (, – плазменная частота) распространение квазимонохроматического импульса вдоль трассы в малоугловом приближении. Излучение предполагается поляризованным линейно, поэтому уравнение (1) записано в скалярном виде. Основным нелинейным эффектом при распространении импульса является рефракция лазерного излучения на образующейся плазме. Поляризация возникающей плазмы на оптической частоте описывается правой частью уравнения (1). Для описания изменения плотности плазмы мы использовали модель туннельной ионизации [18]. Она является предпочтительной для лазерных полей в проводимых нами экспериментах. В пренебрежении слабой зависимостью предэкспоненциального множителя от поля [19] уравнение для скорости ионизации принимает вид: где – характерное атомное поле, – характерная атомная частота, – концентрация нейтралов (здесь предполагается, что ионизуются молекулы кислорода, так как они имеют меньший потенциал ионизации, чем молекулы азота.). В качестве начальных условий, моделирующих поле лазерного импульса на оси аксиконной линзы, задавалось следующее распределение поля: где – угол сходимости лучей, или угол при основании аксиконной линзы, – радиальная координата в циллиндрической системе координат. – радиус импульса накачки перед линзой, а – его длительность. Видно что, вблизи оси системы () уравнение (1) с начальным условием (4) описывает импульс, распространяющийся со скоростью , совпадающей с реальной сверхсветовой скоростью волнового пакета при аксиконной фокусировке в малоугловом приближении. Результаты численного моделирования процесса фокусировки приведены на рисунке 5.3a. Рефракция ионизующего излучения на плазме приводит к насыщению интенсивности поля в фокальной области и образованию подковообразной структуры поля. В результате рост концентрации плазмы прекращается начиная с некоторого значения трассы распространения импульса (см. рисунок 5.3d). В рассматриваемом режиме слабого поглощения имеет место уширение плазменного столба, определяемое сохранением потока энергии. Обсуждаемые здесь процессы самовоздействия оптического излучения заметно отличают рассматриваемую ситуацию от исследуемой в работах [16], [17] Далее рассмотрим возбуждение малых колебаний электронов плазменного столба. Для этого воспользуемся системой уравнений гидродинамики для медленных (в масштабе оптического периода) тока и концентрации: где , – радиальный ток (), – потенциал разделения зарядов, подчиняющийся уравнению Пуассона a – пондеромоторный потенциал лазерного импульса накачки. Источником плазменных колебаний в данном случае является усредненная (по периоду оптического поля) сила. Использование системы уравнений (5)-(7) оправдано в случае аксиконной фокусировки следующими обстоятельствами. Во-первых, поперечный градиент интенсивности поля оказывается значительно больше продольного. Во-вторых, столкновительный механизм возбуждения продольного тока и ТИ [5] в условиях эксперимента подавлен, так как частота столкновений мала по сравнению с частотой ТИ. В силу аксиальной симметрии задачи далее будем рассматривать возбуждение радиальных колебаний электронов в заданном распределении ионов . При однородном распределении ионов внутри цилиндрического столба колебания электронов происходят, очевидно, на частоте . В случае неоднородного распределения ионов, которое возникает в самосогласованном режиме взаимодействия ионизующего лазерного излучения с воздухом, частота колебаний плотности заряда в плазменном столбе становится функцией поперечной координаты (см рисунок 5.3b). Последствия этого обсудим ниже. Расчет структуры поля излучения плазменного столба проведем в предположении, что длина волны ТИ много больше характерного поперечного размера плазменного столба. Выражение для поля излучения в дальней зоне имеет вид: где – расстояние до точки наблюдения, – вектор направления, – спектр электронного тока, расчитанный на основе гидродинамической модели. Слагаемое в показателе экспоненты в выражении (8) связано с тем что функция тока задана в сопутствующих координатах (2). Отсюда для амплитуды терагерцового поля, излучаемого радиальными колебаниями плазменного следа, можно получить: где – пространственный спектр погонного излучающего момента , определенного следующим соотношением: Выражение (9) получено для излучателя в виде бесконечно тонкой нити. Как видно из представленного решения поляризация излучения линейна и имеет радиальную структуру, что находится в согласии с экспериментальными результатами на рис.6.2b. Для получения представления о диаграмме направленности ТИ, момент аппроксимируем следующим выражением: где – скорость движения пакета в сопутствующей системе координат, – характерная длина аксиконной искры, – время, в течение которого поперечные колебания плазмы имеют существенный излучающий момент . Нетрудно видеть что диаграмма () имеет вид конуса с осью, совпадающей с осью системы , и углом равным углу сходимости лучей импульса накачки. Длина развития процесса (размер фокальной области) определяет ширину диаграммы направленности. Так при увеличении длины фокальной перетяжки (например при увеличении апертуры импульса накачки c сохранением его интенсивности) излучение становится более направленным. На рисунке 5.3c видно, что источник терагерцового излучения существует конечное время за лазерным импульсом. Даже в отсутствие диссипации имеет место затухание колебаний излучающего момента связанное, по-видимому, с «перемешиванием» в поперечно неоднородном плазменном столбе (сравни рисунки 5.3b и 5.3c). Видно, что полученный при численном моделировании результат находится в хорошем качественном соответствии с аппроксимацией (11), поэтому выводы сделанные для модели справедливы и для излучения, рассчитанного численно. Для упрощения численного моделирования выбирались минимальные апертуры, при которых процесс распространения лазерного импульса и генерации терагерцового излучения выходит на стационарный режим. В целом совокупность экспериментальных данных находится в хорошем соответствии с результатами теоретического исследования генерации ТИ на основе предложенной модели. Характерной особенностью процесса генерации является наличие порогового значения амплитуды лазерного излучения (см. рисунок 5.1c). Вычисления дают для зависимости амплитуды ТИ от энергии лазерного импульса поведение сходное с полученным экспериментально (см. рисунок 5.1b и рисунок 5.3e). Для объяснения такого поведения принципиальным оказался учет рефракции оптического излучения на возникающей плазме. Теория дает более низкое значение пороговой энергии фемтосекундного импульса (примерно вдвое). Это обстоятельство связано, видимо, с аппроксимацией скорости ионизации выражением (3). Оно проявляется и в другом. Резкая зависимость темпа ионизации от поля приводит к завышенному значению (по сравнению с экспериментом) для характерной частоты ТИ (примерно на порядок). Экспериментальные данные о поляризации ТИ дополнительно свидетельствуют в пользу механизма излучения связанного с радиальными колебаниями плазменного следа. Численные расчеты подтверждают этот вывод, и конусную структуру диаграммы направленности ТИ. Последнее обстоятельство и связь его с черенковским излучением обсуждалась еще в [16]. Рисунок 5.1. a – зависимость амплитуды терагерцового сигнала от времени, полученная на некотором расстоянии от оси системы, b – спектр терагерцового импульса, c – зависимость амплитуды терагерцового импульса от энергии импульса накачки. Рисунок 5.2. Распределение мощности (a) и поперечной компоненты вектора поляризации (b) терагерцового излучения в плоскости перпендикулярной оси системы на расстоянии см от искры. Рисунок 5.3. a, b – зависимость интенсивности () лазерного излучения и электронного тока от сопутствующего времени и поперечной координаты при значении трассы отмеченном пунктиром на рис c., c – зависимость излучающего момента от сопутствующего времени и трассы ; d – зависимость плотности ионов от поперечной координаты и трассы при соответствующих окончанию оптического импульса, e – зависимость мощности терагерцового излучения от энергии лазерного импульса. 6 Перечень услуг, предоставляемых центром коллективного пользования «Центр микроволновых и лазерных нанотехнологий» Одной из основных задач центра является повышение эффективности научно- исследовательских и опытно конструкторских работ путем предоставления сторонним организациям доступа к существующему и вновь запускаемому оборудованию центра. Центр обеспечивает представление услуг по трем направлениям: использование сторонними организациями для проведения испытаний и исследований уникальных установок и стендов ЦКП, проведение работ с использованием оригинальных технологий и технологического оборудования ЦКП, использование сторонними организациями оригинальных метрологических разработок, методов аналитических исследований и средств измерения. Кроме того, оборудование ЦКП систематически используется в учебном процессе для выполнения: лабораторных работ студентами старших курсов, в профориентационной работе с молодежью - ежегодно проводятся ознакомительные экскурсии для школьников города Н. Новогорода. 6.1 ЦКП предлагает для использования сторонними организациями следующие установки и стенды Фемтосекундные лазерные стенды для облучения мишеней (газовых, твердотельных) оптическим излучением с мощностью около 500ТВт (1 импульс в 30 минут), с мощностью 1ТВт (частота повторения 10Гц), с мощностью 0.1ТВт (частота повторения 1кГц). Экспериментальные комплексы на основе гиротронов и карсинотронов для облучения мишеней импульсным электромагнитным излучением с мощностью до 1ГВт (сантиметровый диапазон длин волн, длительность импульса десятки наносекунд) и до 1МВт (миллиметровый диапазон, длительностью до 1 секунды). Оптический когерентный микроскоп для исследование биофизических процессов на уровне клетки. 6.2 Оригинальные технологии и технологическое оборудование, предоставляемые центром Специализированные гиротронные комплексы микроволновой обработки материалов для исследования процессов взаимодействия интенсивного микроволнового излучения с широким классом диэлектрических, полупроводниковых и металлических материалов, разработка методов создания новых материалов. Исследования можно проводить при мощностях микроволнового излучения 3 – 15 кВт в частотном диапазоне 24-84 ГГц при объеме рабочей камеры 100 л и более в диапазоне давлений 2 – 10-5 атм; точность автоматического поддержания температуры в процессах высокотемпературной обработки материалов 0,3%. Выращивание поликристаллических алмазных пластин толщиной 0.5-1 мм и диаметром 50-75 мм из газовой фазы в плазме СВЧ разряда для различных применений, в том числе для использования в качестве теплоотводящих подложек в электронной аппаратуре. Обработка поверхности алмазных пленок и пластин до шероховатости поверхности по 10-12 классу (Ra = 0.04-0.06). Экспериментальный стенд для генерации и регистрации сверхкоротких импульсов электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Сильноточные источники ионов и интенсивные потоки неравновесной плазмы для модификации поверхностей на основе ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением гиротронов. Стенд для микромодификации поверхности и объема широкого класса веществ с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Стенд для измерния оптических и термооптических характеристик среды в диапазоне температур от 77 до 300К. Стенд для измерения контраста фемтосекундного импульса в интервале до 10нс с динамическим диапазоном 8 порядков. Волоконная фемтосекундная лазерная система мощностью до 20 Вт для микроструктурирования материалов и генерации терагерцового излучения. Стенд неразрушающего контроля поверхности (микрошероховатости и плоскостности) оптических поверхностей и исследования микро- и наноструктур с разрешением по глубине ~ 1 ангстрем и менее 1 микрона по горизонтали и с размером изучаемой области до ~ 1 х 1,5мм. Размер исследуемых деталей до~ 40x40см. Параллельное преобразование аналоговых сигналов для задач обработки информации и нейрокомпьютинга. 6.3 Аналитические методы исследования и средства измерений Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом возбуждения-зондирования в ИК и терагерцовом диапазонах. Исследование нелинейных и электрооптических свойств новых материалов с субпикосекундным временным разрешением. Исследование действительной и мнимой части диэлектрической восприимчивости твердотельных, жидких и газообразных образцов методами терагерцовой импульсной спектроскопии в диапазоне 0.2-2 ТГц. Измерение диэлектрических свойств жидких, твердых и газообразных диэлектриков в ММ и СубММ диапазоне длин волн, включая измерения в широком диапазоне коэффициента поглощения газов, тангенса потерь и показателя преломления в твердых и жидких диэлектриках, а так же для измерения коэффициентов отражений металлов, сплавов и металлических покрытий. Разработанные методы оптической диагностики патологических процессов на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях на базе инвертированного микроскопа для работы в проходящем свете разработка методов направленной доставки в организме полифункциональных агентов на основе моноклональных антител флуоресцентных соединений относящихся к различным классам, с целью определения возможности их применения в диагностике; разработка модельных систем для оценки эффективности терапевтических методов воздействия с использованием флуоресцентных белков; оценка цитотоксического эффекта диагностических и терапевтических агентов. Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом двухцветного возбуждения-зондирования в диапазоне длин волн 500-2600 нм. Методика по определению толщины и линейных размеров объектов методами оптической микроскопии. Тестирование СВЧ узлов и приборов в широком диапазоне частот и в различных температурных режимах (от комнатных до криогенных); измерения шумовых характеристик и чувствительности миллиметровых и субмиллиметровых приемников. Измерение параметров волноводных и квазиоптических систем в диапазоне от 8 ГГц до 250 ГГц. Измерительная техника базируется на скалярных панорамных измерителях (коэффициентов отражения и прохождения), перекрывающих указанный диапазон, и механических устройств, обеспечивающих сканирование приемного рупора в плоскости измерения. Для измерений различных трактов возможно использование возбудителей различных типов волн (например, ТЕ11, ТЕ01, ТМ01, НЕ11, различных высших волн, квазиоптических пучков с гауссовой пространственной структурой). Измерение поглощения излучения в газах и конденсированных средах и отражательной способности металлов в диапазоне частот 36-380 ГГц при температурах от 20 до 6000С; относительная точность измерений показателя преломления и тангенса угла потерь диэлектриков равна соответственно 10-5 и до 10-3, абсолютная точность измерений поглощения в газообразных до 0.002 дБ/км, коэффициента отражения металлов с абсолютной точностью до 3×10-5. 7 Перечень организаций - пользователей оборудования ЦКП за отчетный период Работы по проекту проводились с участием Института химии высокочистых веществ РАН (Нижний Новгород), Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (Саров), Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Института сильноточной электроники УрО РАН, (Томск), РНЦ «Курчатовский институт» (Москва), Институт физики микрострутур РАН (Нижний Новгород). Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск), Институт теоретической и экспериментальной физики РФЯЦ (Москва) 7.1 Работы проводились в рамках следующих контрактов и грантов . Грант РФФИ 08-02-99047 «Создание наноструктурных керамических и композиционных материалов с использованием микроволнового нагрева» Грант РФФИ 06-08-00585-а «Разработка высокоэффективных гиротронных комплексов для высокотемпературной микроволновой обработки материалов» Проект «Получение объёмных наноструктурных керамических и композиционных материалов при направленном воздействии микроволнового излучения на процессы массопереноса» по программе ОФН РАН «Проблемы радиофизики» Проект «Создание основ получения высокочистых слабоагрегированных наноразмерных оксидных порошков и спекания керамики с использованием микроволнового нагрева» по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы», направление "Разработка фундаментальных основ создания лазерной керамики"

Похожие:

	Учреждение российской академии наук институт прикладной физики (ипф ран) Обеспечение центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области использования микроволнового...		Учреждение российской академии наук институт прикладной физики (ипф ран) Обеспечение центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области использования микроволнового...
	Российская академия наук Учреждение Российской академии наук Институт... В соответствии с приказом Минздравсоцразвития России от 7 июля 2007 года №402 19-21 октября в г. Москве состоялся III всероссийский...		Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур ран
	Российской академии наук институт философии ран гребенщикова елена... Диссертация выполнена в секторе междисциплинарных проблем научно-технического развития Учреждения Российской Академии Наук Института...		Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт космических исследований российской академии наук
	Российской академии наук институт европы ран промышленная политика европейских стран Н. В. Говоровой.]. – М. Ин-т Европы ран : Рус сувенир, 2010. – 214 с. – (Доклады Института Европы = Reports of the Institute of Europe...		Российской Академии Наук Институт проблем нефти и газа со ран министерство... Председатель – Александр Федотович Сафронов, чл корр. Ран, председатель Президиума Якутского научного центра со ран, директор ИПНГ...
	Учреждение Российской Академии Наук Институт проблем передачи информации... Алексей Леонтьевич Бызов родился 2 января 1926 года в Москве. В 1950 году окончил биофак мгу, кафедру физиологии животных		Учреждение Российской Академии наук Институт народнохозяйственного... Разработка единой системы анализа и прогнозирования баланса денежных доходов и расходов населения, уровня и структуры бедности с...
	Базы данных «Показатели » Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Карельского научного центра Российской...		Оценка пластичности протеома плазмы крови здорового человека в экстремальных... Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Российской Федерации Институте медико-биологических...
	Положение о Центре коллективного пользования научным оборудованием... Цкп, образован в соответствии с Приказом директора ибхф ран №13а от 23 апреля 2001 г на базе лабораторий и других подразделений Федерального...		Учреждение Российской Академии Наук Институт Европы ран стенограмма Защита диссертации на соискание учёной степени кандидата политических наук Морозовым Артемием Михайловичем на тему: «Факторы формирования...
	Адаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского Работа выполнена в лаборатории управляемого роста кристаллов Учреждения Российской академии наук Института физики твердого тела ран...		Адсорбция асфальтенов на твердых поверхностях и их агрегация в нефтяных дисперсных системах Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля ран