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.

(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.