Диагностика плазмы аттосекундными методами

Общие принципы аттосекундной диагностики

Аттосекундная физика открыла новые горизонты в исследовании плазмы, позволяя регистрировать динамику элементарных процессов на временных масштабах, сравнимых с движением электронов внутри атомов и ионов. Если традиционные диагностические методы ограничены пикосекундными или фемтосекундными временными разрешениями, то аттосекундные импульсы обеспечивают прямое наблюдение электронных корреляций, туннельной и многофотонной ионизации, а также временных задержек в фотоионизации.

Для диагностики плазмы применяются аттосекундные зондирующие импульсы в комбинации с сильными фемтосекундными лазерами. Такая комбинация позволяет инициировать процессы в плазме (pump) и затем регистрировать их динамику аттосекундным импульсом (probe).

Методы генерации аттосекундных импульсов для диагностики

Основным источником аттосекундных импульсов являются процессы высоких гармоник (HHG, High Harmonic Generation), возникающие при нелинейном взаимодействии интенсивного лазерного поля с газовой мишенью. Полученные гармоники образуют импульсы с длительностью порядка десятков или сотен аттосекунд, спектрально охватывающие область от ближнего до крайнего ультрафиолета и мягкого рентгена.

Важным направлением является генерация аттосекундных импульсов непосредственно в плазме, что обеспечивает естественную согласованность источника и объекта диагностики. Для этого используют лазерно-плазменные взаимодействия, в которых электронные пучки возбуждают когерентное излучение рентгеновского диапазона.

Аттосекундная спектроскопия плазмы

Спектроскопические методы на основе аттосекундных импульсов позволяют исследовать:

• Энергетические распределения электронов в плазме с временным разрешением, сравнимым с временем релаксации электронных корреляций.
• Фотоионизационные задержки в зависимости от плотности и температуры плазмы, что даёт информацию о силе кулоновских и корреляционных эффектов.
• Динамику ионных состояний через регистрацию сдвигов и уширений спектральных линий в условиях неравновесности.

Применение аттосекундных импульсов позволяет разделить вклад коллективных плазменных осцилляций и индивидуальных процессов фотоионизации в динамику системы.

Аттосекундная стрик-камера (attosecond streaking)

Метод стрик-камеры основан на измерении временных задержек в фотоэмиссии. Суть заключается в том, что аттосекундный зондирующий импульс вызывает фотоэмиссию электронов, а синхронное фемтосекундное поле инфракрасного лазера изменяет их кинетическую энергию в зависимости от момента выхода электрона. Анализируя энергетический спектр фотоэлектронов, можно восстанавливать временную структуру процессов в плазме с точностью до десятков аттосекунд.

Для плазмы данный метод применяется при изучении:

• моментов ионизации атомов и ионов в высокоплотных условиях;
• временной эволюции электронных оболочек в ионизованных системах;
• динамики кулоновских корреляций.

Аттосекундные методы томографии плазмы

Томографические подходы с использованием аттосекундных импульсов позволяют реконструировать пространственно-временную картину электронной плотности в плазме. Принцип заключается в измерении амплитуды и фазы гармоник, возникающих при прохождении зондирующего излучения через плазму.

Ключевые возможности:

• восстановление динамики образования ионов различных зарядовых состояний;
• исследование пространственного распределения плотности плазмы с аттосекундным разрешением;
• регистрация процессов рекомбинации и возбуждения в реальном времени.

Диагностика плазменных волн и колебаний

Аттосекундные импульсы позволяют наблюдать коллективные явления в плазме, такие как:

• плазменные осцилляции с частотами в терагерцовом и петагерцовом диапазоне;
• затухание волн Лэнгмюра с точным определением временной шкалы релаксации;
• переходные процессы при взаимодействии плазмы с интенсивным лазерным полем.

Особый интерес представляет возможность измерения задержек в возбуждении плазменных волн, что позволяет напрямую оценить вклад квантовых и корреляционных эффектов в динамику плазмы.

Временные шкалы релаксации в плазме

Аттосекундные методы позволяют разделять различные временные шкалы:

• субфемтосекундные – корреляции электронов и туннельная ионизация;
• фемтосекундные – процессы рекомбинации и многофотонной ионизации;
• пикосекундные и выше – тепловизация плазмы, коллективные колебания и перенос энергии.

Таким образом, аттосекундная диагностика позволяет «развернуть» сложный многоуровневый процесс эволюции плазмы во времени.

Технические трудности и перспективы

Главные вызовы в применении аттосекундных методов связаны с необходимостью:

• генерации зондирующих импульсов достаточной интенсивности в рентгеновском диапазоне;
• синхронизации фемто- и аттосекундных источников с точностью до нескольких десятков аттосекунд;
• обеспечения высокой чувствительности детекторов фотоэлектронов и гармоник.

В перспективе аттосекундные методы диагностики позволят исследовать:

• динамику перехода плазмы в сильных лазерных полях к состояниям с высокой плотностью энергии;
• квантовые и нелинейные эффекты в коллективных процессах;
• эволюцию плазмы в условиях экстремальных температур и давлений, близких к астрофизическим.