بخشی از مقاله
چکیده
پالس آتوثانیه تولید شده از طریق برهمکنش لیزر پرشدت فمتوثانیه باهدف جامد، در مقایسه با پالسهای تولید شده از تابش لیزر پرشدت به هدف گازی، دارای شدت بالاتری بوده و این امر موجب بالا رفتن بازده تولید پالس اتوثانیه نیز میگردد. تولید شدن هارمونیکهای بالادر پالس بازتابی از سطح پلاسمای فوق چگال ایجاد شده برروی هدف جامد، این امکان را بوجود میآورد که با انتخاب یک فیلتر مناسب بتوان پالس اتوثانیه، با کمینه پهنای زمانی را تولید نمود. در این پژوهش، با بررسی تاثیر چندین فیلتر نازک از جنسهای مختلف برای طول موجهای XUV و X-ray، نشان داده شد که میتوان پالس اتوثانیه با فوتونهایی با انرژی 124eV تولید کرد. در ادامه با بررسی اثرات شدت لیزر فرودی برروی شدت طیف بازتابی از هدف جامد توسط کد شبیهسازی PIC، مشاهده شد از شدت خاصی از پالس فرودی دیگر شدت طیف بازتابی افزایش نمییابد و شدت هارمونیکها به یک میزان اشباع خواهد رسید.
مقدمه
با پیشرفت علم لیزر و اپتیک غیرخطی در سالهای اخیر، پژوهش-های بسیاری برای دستیابی به کوتاهترین پالس لیزری در مقیاس تحرکات فوق سریع الکترونهای درون اتم صورت گرفته است.بنابراین فیزیک اتوثانیه 18 s - ؛ - 10 از شاخههای علمی مهم دهه اخیر بوده است که توجه دانشمندان زیادی را به این حوزه از علمجلب کرده است تا بتوان دینامیک ساختارهای ریز و مولکولی رامورد بررسی قرار داد. طبق اصل عدم قطعیت، برای دستیابی بهپالس نوری با پهنای زمانی اتوثانیه باید پالسی با گستره زیاد طیف الکترومغناطیسی در محدوده فرکانسی پرتوهای - 10-120nm - XUV ویا - 0,1-10 nm - X-ray تولید کرد. ازطرفی، بدلیل عدم تواناییآینههای تولید شده برای تشدید پرتوایکس در کاواک لیزر، ازروشهای غیرمستقیم برهمکنش لیزرهای پرشدت با هدفهای گازی و جامد برای تولید پالسهایی با پهنای فرکانسی بسیار وسیع - بیشتراز - 100nm استفاده میشود.
بدین منظور، تولید هارمونیک-های بالا از طریق تابش لیزرهای فمتوثانیه - با پهنای 5-50fs وشدتی از مرتبه - 1013- 1015 w/cm2 برروی مولکولهای گازی که عمدتاً گازهای نجیب هستند، مورد توجه قرار گرفت. در این فرآیند، انرژی پالس تابشی موجب آزاد شدن و شتاب گرفتن الکترونهای داخلی اتم میشود. الکترونهای پرانرژی در بازگشتبه سوی اتم پالسی با پهنای زمانی اتوثانیه در ناحیه XUV تابش میکنند. اما پالسهای فوق کوتاه تولید شده از این روش، دارایانرژی کافی برای انجام بسیاری از آزمایشات نیستند.[1]تولید هارمونیکهای بالا از طریق برهمکنش لیزر فمتوثانیه پرشدتبا هدف جامد، توانسته است ضمن بالا بردن بازده تولید پالساتوثانیه، شدت آنها را نیز افزایش دهد. بمنظور بیان شدت لیزرهایپرشدت از رابطه بهنجارشده دامنه میدان الکتریکی پالس لیزری بافرکانس L که به صورت زیر تعریف میشود میتوان استفاده نمود:
با به توان دو رساندن دو طرف رابطه - 1 - به رابطه دیگری میتواندست یافت که بیانگر مرز میان برهمکنش غیرنسبیتی و نسبیتیاست:
به طوری که مقادیر a 1 بیانگر نسبیتی شدن سرعت الکترون در اتمی است که تحت تابش این لیزر قرار گرفته است.در برهمکنش لیزر پرشدت فمتوثانیه با هدف جامد که طرحواره آندر شکل1 نشان داده شده است، ابتدا قسمت ابتدایی پالس بررویسطح هدف، پلاسمای فوق چگال تولید میکند که فرکانس آنبالاتر از فرکانس لیزر فرودی - - PL است. با توجه به رابطهپاشندگی برهمکنش موج الکترومغناطیسی با پلاسماتابش فرودی بدلیل آنکه دارای فرکانسی کمتری از فرکانس پلاسمااست نمیتواند درون پلاسمای فوق چگال نفوذ کرده و بنابراین از سطح هدف جامد بازتاب میگردد. در این رابطه k L بردار موجلیزر فرودی و p فرکانس پلاسماست. فشار تابشی نور لیزر فرودی که ناشی از جمله نسبیتی v B دررابطه نیروی لورنتس - F e - E v B میباشد - نیروی پاندروموتیو - از یک سو و نیروی بازگرداننده الکترواستاتیکی جاذبه بین یونهای ثابت درون پلاسما و الکترونهای سطح پلاسما ازسوی دیگر، موجب ایجاد سطحی نوسانی از الکترونهای نسبیتی برروی هدف جامد میگردد.
بنابراین در ادامه، برهمکنش قسمت اصلی پالس فرودی با این الکترونهای نسبیتی که همانند یک آینهنوسانی عمل میکنند موجب بازتاب پرتو فرودی، با فرکانسهاییبالاتر از فرکانس نور فرودی میگردند. در واقع می توانیم حرکتدسته جمعی الکترون های سطح پلاسما را با حرکت یک لایهپلاسما با چگالی بحرانی جایگزین کنیم.طبق اثر داپلر اگر نور فرودی با فرکانس L به آینهای که به سوی آن میآید برخورد کند نور بازتاب شده با یک جابجایی فرکانسی موجب تولید فرکانسهای بالاتر به صورت 4 2 . L میگردد.>2@ در نتیجه پالس بازتابی دارای طیف فرکانسی پهنی خواهد بود که برای تولید پالس فوق کوتاه اتوثانیه مناسب میباشد.بعلت این جابجایی فرکانسی، پالس بازتابی دیگر همانند پالس فرودی سینوسی نبوده و دارای هارمونیکهای مختلفی میباشد کهبا کمک تحلیل فوریه میتوان آنها را جداسازی نمود.
هارمونیک-های تولید شده از این روش، علاوه براینکه همفاز هستند دارای پهنای فرکانسی وسیعی میباشند که راه را برای تولید پالسهای کوتاهتر از پالس فرودی در مقیاس اتوثانیه میسر مینماید. دربسیاری از کاربردهای پالس اتوثانیه، نیاز به یک پالس با شدت وپهنای زمانی کمینه همواره مورد مطلوب محققان این رشته بودهاست. در این قسمت از این مقاله، به بررسی عوامل موثر در تولید پالس اتوثانیه با پهنا و شدت بهینه میپردازیم. برای این منظور ازکد شبیهسازی یک بعدی PIC استفاده میشود.[3] این کد به حلعددی معادلات ماکسول و معادله حرکت برای الکترونها و یون-هایی که در میدان الکترومغناطیسی لیزر قرار گرفتهاند میپردازد.
بهینهسازی طیف و پالس اتوثانیه
طیف پالس بازتاب شده از سطح پلاسمای فوق چگال تولید شده برروی هدف جامد دارای هارمونیکهای بسیاری است که قابلیتتبدیل شدن به پالس اتوثانیه را دارد.پالس فرودی در طول موج مرکزی 800nm L با شدت1020 W.cm-2 2.14 I با پهنای زمانی 12 fs و قطبش p بهپلاسمای فوق چگال، با چگالی اولیه 100n ne ، که در آن ncچگالی بحرانی در سطح پلاسما برای طول موج لیزر فرودی بوده وبرابر 1.7 1021 cm-3 است، برخورد میکند. طیف پالس بازتابی از سطح این پلاسما در شکل2 نشان داده شده است.با توجه به کاربردهای مختلف، در این مرحله با انتخاب فیلتری مناسب میتوان قسمت مورد نظر از این طیف را برای تولید پالس اتوثانیه جداسازی نمود. فیلترهایی که قابلیت فیلتر کردن تابشهاییدر ناحیه XUV و X-ray را دارند در جدول1 نشان داده شده است. ضخامت همه فیلترها برابر 150nm میباشد.[4]
با عبور دادن پالس بازتابی از این فیلترهای نازک فلزی میتوان با ایجاد یک تداخل سازنده مناسب میان هارمونیکهای عبوری، بهپالس اتوثانیه با کمترین پهنای زمانی دست یافت. فیلتر آلومینیوم تنها نور فرودی با طول موج بین 15-70nm را از خود عبور می-دهد و در نتیجه پالس اتوثانیه تولید شده با پهنای زمانی 180 as دارای فوتونهایی با انرژی بین 15-77 eV میباشد. در صورتیکه با استفاده از فیلتر Te میتوان تا 50 as را تولید کرد. تنها نقطه ضعف مهم استفاده از فیلتر، جذب مقداری از انرژی پالس بازتابیاست که موجب کاهش انرژی پالس اتوثانیه خواهد شد.
