Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с
веществом
Попруженко Сергей Васильевич
В
работах по фотоионизации атомов и отрицательных ионов [1] дано теоретическое
описание эффекта перерассеяния фотоэлектронов в сильном лазерном поле,
возникающего вследствие взаимодействия в конечном состоянии с атомным остатком
и приводящего к появлению в спектрах фотоионизации электронов с большими
энергиями - вплоть до 10 средних колебательных энергий в поле лазерной волны,
что составляет, при напряженности лазерного поля порядка внутриатомной,
несколько килоэлектронвольт. Основной вклад в теорию эффекта перерассеяния,
наблюдавшегося экспериментально с 1994 года [2], состоит в построении
аналитической квазиклассической модели, позволившей исследовать зависимость
выхода горячих фотоэлектронов от параметров поля и атома и провести
количественное сравнение с экспериментальными данными, относящимися, в
основном, к атомам благородных газов.
Выполнен
цикл работ [3, 4] по проблеме вынужденной генерации высоких гармоник лазерного
излучения, возникающей при взаимодействии интенсивного инфракрасного лазера с
разреженной атомарной мишенью в присутствии слабой пробной волны на частоте
высокой гармоники того же лазера. Задача о вынужденном излучении высоких
гармоник в таких условиях поставлена и решена впервые. Обычно суммарный вклад
вынужденных процессов в интенсивность излучения оказывается весьма малым в силу
высокой степени компенсации процессов вынужденного излучения и поглощения,
имеющей место в отсутствие инверсной заселенности в мишени. Различные механизмы
разрушения равновесия между излучением и поглощением, основанные на
использовании эффекта отдачи, применяются в лазерах на свободных электронах. В
случае генерации гармоник в атомарных газах эффект отдачи слишком мал, чтобы
его можно было использовать для заметного усиления волны.
В
работах [3, 4] предложен принципиально новый механизм разрушения симметрии
процессов "излучение-поглощение", основанный на использовании
коротких когерентных импульсов накачки и пробной волны. Показано, что, будучи
направленным в область взаимодействия с газом с небольшой (не превышающей
длительности импульса) временной задержкой по отношению к импульсу накачки, пробный
импульс попадает в условия, при которых процессы вынужденного излучения
оказываются более вероятными, и поэтому должен усиливаться. Эффект усиления
может быть значительным за счет фазового синхронизма атомарных излучателей,
обеспечивающих квадратичную зависимость интенсивности волны от числа атомов в
мишени, что обычно наблюдается при спонтанной генерации высоких гармоник.
На
примере задачи о вынужденном релеевском рассеянии двух когерентных лазерных
импульсов с близкими несущими частотами и неколлинеарными волновыми векторами
[4] эффект вынужденного усиления за счет временной задержки рассмотрен в рамках
безмодельного подхода. Такой механизм усиления не связан с созданием
возбужденного состояния рабочей среды до прихода в нее пробного импульса и поэтому
является, наряду с хорошо известным примером когерентно заселенной
трехуровневой системы, одной из возможных реализацией усиления без инверсии.
Развита
квазиклассическая теория двухэлектронной ионизации атомов благородных газов
полем сильного линейно поляризованного лазерного излучения [5, 6].
Двухэлектронная ионизация атомов сильным лазерным полем наблюдается с середины
80-х годов. Тогда же стало ясно, что в значительном большинстве случаев,
особенно в поле с линейной поляризацией, механизм высвобождения электронов из
атома - некаскадный, то есть связан с присутствием электрон-электронного
взаимодействия.
Достигнутый
в последние годы на установках типа COLTRIM значительный прогресс в измерении
импульсных спектров ионов [7] и электронных пар [8] стимулировал быстрое
развитие теории некаскадной двойной ионизации атомов. Впервые исследован вопрос
о влиянии механизма электрон-электронных корреляций на форму импульсного
распределения пар в плоскости поляризации излучения, и показано, что
экранировка кулоновского взаимодействия оказывается весьма существенной,
особенно при не слишком высоких интенсивностях лазерного поля [6].
Обнаружено
количественное согласие результатов расчетов с экспериментальными данными и
сформулирована программа дальнейших исследований в этом направлении. В
частности, предсказан эффект резонансного увеличения вероятности двойной
ионизации при прохождении границы континуума через порог n-фотонной однократной
ионизации, являющийся следствием конструктивной интерференции многих
фейнмановских траекторий, приводящих к переходу в одно и то же конечное
состояние с двумя электронами в континууме [9].
В
2002 году начат цикл работ, посвященных исследованиям динамики и ионизации
нанотел, облучаемых интенсивными лазерными импульсами. Взаимодействие мощных
лазеров с наномишенями (тонкими пленками, атомарными, молекулярными и
металлическими кластерами) является одним из наиболее интенсивно развивающихся
направлений последнего десятилетия в физике сильных полей. Повышенный интерес к
кластерам и нанопленкам связан с тем, что под воздействием интенсивного
лазерного поля они становятся источниками ультрафиолетового и рентгеновского
излучения в диапазоне длин волн от 5 до 100, причем удельная интенсивность
такого излучения, как и выход многозарядных ионов, существенно, на много
порядков, превышает аналогичный показатель для газовых мишеней из атомов того
же сорта.
На
основе микроскопической модели взаимодействия кластеров с лазерным излучением,
описывающей электронную подсистему в приближении несжимаемой неоднородной
жидкости, впервые рассмотрена задача о возбуждении нелинейных колебаний в
кластере, электронная подсистема которого нагрета до температур в сотни
электронвольт, и, по существу, является классической [10]. Показано, что в
условиях, характерных для современных экспериментов по взаимодействию кластеров
с мощным лазерным излучением, оказывается возможным трехфотонное возбуждение
поверхностного плазмона и, как следствие, возникновение сильного поля утроенной
(по отношению к внешнему лазерному полю) частоты как внутри кластера, так и вне
его.
Резонансное
возбуждение третьей гармоники внутри кластера предложено в качестве одного из
возможных механизмов, ответственных за аномально высокую эффективность
образования многозарядных ионов и возбуждения многофотонных переходов в
кластерах. Рассмотрен эффект рассеяния света на кластере с утроением частоты.
Вычислено сечение рождения третьей гармоники лазерного излучения, дана оценка
его величины и исследовано поведение в зависимости от параметров кластера и
лазерного поля.
Генерация
третьей гармоники лазерного излучения в кластерной мишени, возникающая за счет
указанного механизма, обнаружена в эксперименте [11]. Исследованиями нелинейной
динамики кластеров в интенсивном электромагнитном поле внесен существенный
вклад в развитие нового научного направления - оптики горячих нанотел, не
обладающих свойством квазиэлектронейтральности. В рамках этого направления
рассмотрена задача о бесстолкновительном затухании плазменных колебаний
(затухание Ландау) в невырожденной электронной наноплазме. На основе формализма
флуктуационно-диссипативной теоремы получено общее выражение для декремента
затухания плазменных колебаний функционально зависящего от формы
самосогласованного потенциала в нанотеле произвольной размерности с невырожденной
электронной подсистемой.
Список литературы
[1] С. П. Гореславский,
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.