Образование плазмы при воздействии фемтосекундных импульсов

Образование плазмы при взаимодействии с фемтосекундными лазерными импульсами является ключевым процессом в современной нелинейной оптике и физике высокоинтенсивных полей. В отличие от длиннопульсных воздействий, фемтосекундные импульсы действуют на материал на временных масштабах, сравнимых с внутренними колебаниями электронов, что приводит к уникальным нелинейным эффектам.

Многофотонная и туннельная ионизация

В интенсивных полях фемтосекундного лазера основными механизмами ионизации являются многофотонная и туннельная ионизация.

  • Многофотонная ионизация реализуется, когда энергия одного фотона недостаточна для выхода электрона из атома, но сумма энергии нескольких фотонов превышает энергию ионизации. Частота процесса пропорциональна интенсивности поля и числу участвующих фотонов.

  • Туннельная ионизация возникает при экстремально сильных полях, когда потенциальный барьер атома деформируется настолько, что электрон может покинуть атом через квантовый туннель. Этот процесс доминирует при интенсивностях выше 1014–1015 Вт/см².

Переход от многофотонной к туннельной ионизации описывается параметром Кельдеша:

$$ \gamma = \frac{\omega \sqrt{2m I_p}}{eE}, $$

где ω — частота лазера, Ip — энергия ионизации, E — амплитуда электрического поля. Для γ ≫ 1 преобладает многофотонная ионизация, для γ ≪ 1 — туннельная.

Автоиндуцированная и каскадная ионизация

После начальной ионизации возникает обратная связь через свободные электроны:

  • Автоиндуцированная ионизация (avalanche ionization): свободные электроны ускоряются в поле лазера, сталкиваются с атомами, ионизируют их. Этот процесс становится доминирующим в плотных средах и при более длинных фемтосекундных импульсах (>50 fs).

  • Каскадная ионизация обеспечивает быстрый рост плотности электронов, что приводит к формированию плотной плазмы на временном масштабе десятков фемтосекунд.

Нелинейные оптические эффекты в процессе образования плазмы

Образование плазмы сопровождается сложными нелинейными явлениями:

  1. Селф-фокусировка: локальное увеличение интенсивности лазера за счет положительной нелинейной зависимости показателя преломления от интенсивности (n = n0 + n2I), что ускоряет ионизацию.

  2. Селф-фазовая модуляция: изменение фазы лазерного импульса под действием изменяющегося показателя преломления, вызванного плотностью свободных электронов. Это приводит к спектральному расширению импульса.

  3. Плазменное рассеяние: свободные электроны создают отрицательный вклад в показатель преломления, что может приводить к дефокусировке лазерного пучка.

Временные шкалы и динамика

Фемтосекундные импульсы позволяют исследовать почти чисто электронную динамику, так как:

  • Электроны ионизируются за время импульса (≈10–100 fs), не успевая сильно передать энергию ядрам.
  • Образовавшиеся свободные электроны могут достигать критической плотности $n_c = \frac{m \epsilon_0 \omega^2}{e^2}$, при которой среда становится отражающей для лазерного излучения.
  • Дальнейшая динамика, включающая нагрев и колебания ионов, развивается на пикосекундных временных масштабах.

Критическая плотность и оптическая непрозрачность

Плазма становится оптически непрозрачной, когда плотность электронов достигает критической величины:

$$ n_c = \frac{\epsilon_0 m_e \omega^2}{e^2}. $$

На этом уровне лазерное излучение не может проникнуть внутрь среды и отражается, ограничивая дальнейшую ионизацию и рост плазмы.

Роль материала и структуры среды

Образование плазмы сильно зависит от свойств среды:

  • Диэлектрики: требуют интенсивной многофотонной и туннельной ионизации, образуют локализованные плазменные каналы.
  • Металлы: уже содержат свободные электроны, и энергия лазера быстрее поглощается электронами проводимости.
  • Газовые среды: позволяют изучать плазму в разреженных условиях и наблюдать чистые эффекты автоиндуцированной ионизации.

Практическое значение

Плазма, образованная фемтосекундным импульсом, используется в:

  • Микромеханической обработке материалов (femtosecond micromachining).
  • Генерации высоких гармоник и производстве коротких световых импульсов.
  • Исследовании динамики электронов и структурных изменений на субпикосекундных временных масштабах.

Образование плазмы в фемтосекундных полях является фундаментальным процессом, объединяющим квантовую и классическую динамику электронов, нелинейную оптику и физику плотных сред. Оно открывает уникальные возможности для контроля материи на ультракоротких временных и малых пространственных масштабах.

Оглавление