Каскадная ионизация является ключевым процессом в формировании плотной плазмы под действием ультракоротких интенсивных лазерных импульсов. В отличие от одномоментной фото-ионизации, каскадная ионизация развивается во времени и включает последовательные столкновения электронов с атомами и ионами среды, что приводит к лавинообразному росту числа свободных электронов.
Этапы каскадной ионизации:
Начальная ионизация: Первоначально лазерный импульс ионизирует небольшое число атомов через туннельную или многофотонную ионизацию. Этот процесс создает первые свободные электроны, которые становятся катализаторами последующих столкновений.
Ускорение свободных электронов: Свободные электроны поглощают энергию от электрического поля лазера и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации новых атомов при столкновениях.
Лавинный рост числа электронов: Один электрон может ионизировать несколько атомов, создавая новые электроны, которые также участвуют в ионизации. Такой процесс приводит к экспоненциальному росту плотности электронов за время порядка нескольких фемтосекунд.
Достижение критической плотности: Когда плотность электронов достигает определенного уровня, плазма начинает экранировать лазерное поле, ограничивая дальнейшее увеличение числа ионов. Этот предел определяется критической плотностью плазмы nc, при которой плазма становится отражающей для лазерного излучения с частотой ω:
$$ n_c = \frac{\varepsilon_0 m_e \omega^2}{e^2}. $$
Классическое описание лавинного процесса ионизации строится на уравнении Больцмана для свободных электронов, с учетом генерации новых электронов при столкновениях:
$$ \frac{dn_e}{dt} = \alpha n_e, $$
где ne — плотность свободных электронов, а α — коэффициент лавинного роста, зависящий от энергии электронов и вероятности ионизации при столкновениях.
Для интенсивных полей необходимо учитывать также вклад туннельной и многофотонной ионизации:
$$ \frac{dn_e}{dt} = W_{\text{MPI}} + W_{\text{tunnel}} + \alpha n_e, $$
где WMPI и Wtunnel — скорости многофотонной и туннельной ионизации соответственно.
Ключевой момент: экспоненциальный характер роста плотности электронов делает каскадную ионизацию чрезвычайно чувствительной к интенсивности лазерного импульса и наличию начальной ионизации.
Каскадная ионизация приводит к быстрому формированию плазмы с высокой степенью ионизации. Структура образующейся плазмы зависит от параметров лазерного импульса:
Длительность импульса: Фемтосекундные импульсы позволяют формировать плотную плазму, не успевшую сильно расшириться термически. Для наносекундных импульсов тепловое расширение подавляет локальное накопление плотности электронов.
Интенсивность и профиль поля: Лазерные импульсы с гауссовым пространственно-временным профилем создают неоднородное распределение электронов и ионов, формируя плазменные каналы и локальные зоны высокой плотности.
Химический состав среды: Легкие атомы и молекулы ионизируются быстрее, создавая первые электроны для лавины. В сложных газах или смесях наблюдается многокаскадная ионизация с участием различных уровней энергии.
Появление плазменного индекса преломления: Плотная плазма уменьшает эффективный показатель преломления среды, что может приводить к самофокусировке или рассеянию лазерного импульса.
Абсорбция и рассеяние энергии: Свободные электроны поглощают энергию лазера через обратное бреттовское рассеяние и колебательные процессы, ограничивая дальность распространения интенсивного импульса.
Создание плазменных каналов: Лавинная ионизация формирует продольные каналы с высокой плотностью электронов, которые могут направлять последующие импульсы, служить волноводами или инициировать нелинейные оптические эффекты.
Лазерная обработка материалов: Локализованная каскадная ионизация позволяет создавать точные микроструктуры на поверхности материалов без теплового разрушения окружающей среды.
Фемтосекундная спектроскопия плазмы: Изучение времени формирования и развития каскадной ионизации позволяет определять динамику плазмы с фемтосекундной точностью.
Создание высокоплотных плазменных каналов: Такие каналы используются в лазерной акцелерации частиц и управляемой генерации рентгеновского излучения.
Атмосферная лазерная диагностика: Каскадная ионизация в воздухе формирует проводящие плазменные каналы для контроля электрических разрядов и исследования атмосферных явлений.