Аннотация
Нанокластеры получили признание как очень эффективные поглотители интенсивного фемто-второго света благодаря доминирующим коллективным механизмам. Улучшенное почти 100% поглощение за счет коллективного линейного плазменного резонанса по сравнению с небольшой долей поглощения некластеризованным газом явилось важным стимулом в наноплазменных исследованиях. В отличие от такого восприятия, мы показываем, что если длительность импульса (<100 fs), поглощение одинаково независимо от того, конденсируются ли системы на большие кластеры или нет. До тех пор, пока в фокальном объеме имеется одинаковое количество схожих ионизируемых систем, поглощение одинаково, и такое поглощение может быть объяснено реакцией отдельных частиц на поле и коллизионной ионизацией атомов. Короткое поглощение импульса одиночной частицей может быть сопоставимо с линейным резонансным поглощением плазмы для небольших кластеров.
Введение
Взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности (>1015 Вт/cм2) с веществом стало новшеством благодаря их способности генерировать интенсивные всплески ионов, электронов и рентгеновских лучей. Из них исследование с веществом в виде нанокластеров имеет свое особое место. Обладая уникальными свойствами твердотельной локальной плотности, ограниченной размерами меньше длины волны лазера и отсутствием обычных каналов рассеивания энергии объемных конденсированных сред, можно изучать физику интенсивной лазерной плазмы со значительно меньшей сложностью. Сочетание этих свойств приводит к высокому поглощения, максимальной плотности заряда в плазме, ионах МэВ с электронами только кэВ, всплескам твердых рентгеновских лучей и даже ускорению нейтральных атомов и отрицательных ионов.
Почти 100% поглощение, когда газовые атомы Xe или Ar конденсируются в нанокластерах по сравнению с Ne или He, образующими очень маленькие или нулевые кластеры5 , привело к развитию наноплазменной науки. Современное понимание взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с кластерами, основанное на результатах многих важных исследований в этой области, можно резюмировать в следующие этапы:
а) Интенсивные лазерные импульсные ионизирующие атомы посредством полевой ионизации (многофотонная, туннельная и барьерная ионизация)
b) электроны, выделяемые атомами, приводятся в действие лазерным полем и способствуют коллизионной ионизации.
с) увеличение электронной плотности приводит к образованию плазмы, и такие коллективные механизмы поглощения, как линейно-плазменный резонанс, начинают усиливать поглощение света.
d) кластер расширяется/взрывается как под гидродинамическим , так и под кулоновым давлением, в результате чего высвобождаются высокоэнергетические ионы и электроны.
Первые два шага способствуют поглощению лазерного света одиночными частицами в ответ на внешнее поле и в данной статье называются "неколлективным" механизмом поглощения. Единственным основным коллективным механизмом поглощения, о котором мы говорим в данной статье, является линейный плазменный резонанс, упомянутый в пункте-(c). Здесь резонансное согласование частоты лазера и локальной плазмы приводит к увеличению местного электрического поля и увеличению передачи энергии от электромагнитного поля к плазменным полям за счет увеличения разделения заряда и электронно-ионовых столкновений.
Это называется коллективным, потому что локальное поле внутри кластера является функцией диэлектрической проницаемости, объемной собственностью.
Несмотря на привлекательность этой простой картины, многие вопросы остаются нерешенными. Важны ли вообще коллективные механизмы для нанокластеров с очень коротким лазерным импульсным взаимодействием? Является ли поглощение усиленным локальным полем, являющимся результатом действия коллективного механизма наноплазмы, единственным способом выпадения большой энергии при взаимодействии лазерного кластера? Ответы на многие из этих вопросов часто можно найти с помощью компьютерных моделей. Моделирование "частицы в клетке" или аналитические вычисления используются для включения или выключения коллективных механизмов, а также для определения роли поглощения энергии лазера на различных этапах.
В ходе многочисленных экспериментов, проведенных в этих системах, выяснилось, что не существует четкой стратегии экспериментального проведения различия между абсорбцией вследствие неколлективных процессов и коллективным абсорбцией. В данной работе мы демонстрируем, что сравнительное исследование поглощения лазером Ar и N2 в качестве целевых газов при одинаковых условиях дает четкую стратегию исследования некоторых из этих важных вопросов. Мы четко установили, что для импульсов длительностью 800 нм короче 100 фс и энергией импульсов ~3,0 мДж, сфокусированных на интенсивности ~1016 Вт/см2 , поглощение происходит преимущественно за счет реакции отдельных частиц на внешнее поле (шаги a и b, упомянутые выше). Поглощение коротких импульсов одинаково, если в фокальном объеме присутствует одинаковое количество атомов/молекул, независимо от того, связаны они в кластеры Ван дер Ваальса или нет.
В поглощении коротких импульсов доминирует реакция одной частицы, которая сама по себе может быть такой же большой, как и из-за линейного плазменного резонанса. Только для более длительных импульсов и более крупных кластеров воздействие коллективных механизмов оказывает какое-либо значительное влияние на поглощение энергии.
Результаты и обсуждение
Обычная мудрость в исследованиях нано-кластеров охватывает длительность импульсов более 100 фс. В этих временных рамках можно ожидать большего поглощения в кластерных агрегатах5 по сравнению с плохо агрегированным газом за счет возникновения коллективного плазменного резонанса. Попытка ответить на вопрос, применима ли она к коротким импульсам или нет, представлена на рис. 1. На рис. 1(а), на котором показано поглощение импульсов 23 fs с Ar и N2 в зависимости от импульсного противодавления клапана, видно, что разница в поглощении между ними незначительна.
Небольшие различия в поглощении между Ar и N2 также становятся еще меньше по мере увеличения общего количества атомов в фокальном объеме. Абсорбция в этом случае зависит только от давления (монотонное увеличение) и способность Ar образовывать более крупные скопления не имеет большого значения для поглощения. Похоже, что поглощение зависит только от количества атомов Ar и N2, присутствующих в фокусном объеме.
Поскольку потенциалы ионизации для этих двух газов очень похожи (одна из причин, по которой они были выбраны в первую очередь) и количество атомов в фокальном объеме зависит только от давления, то для этих двух газов можно понять одно и то же поглощение, если поглощение обусловлено преимущественно реакцией одной частицы на внешнее поле с небольшим влиянием коллективного поведения.
Дальше, больше и интереснее, оставайтесь с каналом Наука 1.0