Введение к работе
Актуальность темы
Взаимодействие сверхбыстрых (тимп«100 фс) и сверхинтенсивных (//_>1016 Вт/см2) лазерных импульсов с веществом приводит к образованию высокотемпературной плазмы многозарядных ионов с плотностью близкой к твердотельной. Основными методами исследования такой плазмы являются анализ зондирующим электромагнитным излучением внешнего источника (активная диагностика) или анализ излучения, испускаемого самой плазмой (пассивная диагностика). В частности, спектры коротковолнового линейчатого излучения многозарядных ионов являются естественным и исчерпывающим источником информации о физических процессах, происходящих в сверхбыстрой лазерной плазме, и позволяют определить ее температуру, плотность, функцию распределения ионов по скоростям и другие параметры.
Спектральные методы в физических исследованиях требуют основной информации о спектрах, а именно, измерений длин волн и идентификации спектральных линий. Зачастую обнаружение спектральных линий, излученных фемтосекундной лазерной плазмой (ФЛП), и определение их формы становятся невозможными из-за большого числа помех, возникающих на зарегистрированном спектре. Эти помехи обусловлены быстрыми заряженными частицами и коротковолновым электромагнитным излучением (гамма квантами), активным источником которых является ФЛП. Поэтому разработка методов удаления шумов из рентгеновских спектров многозарядных ионов, излучаемых ФЛП, представляет собой актуальную задачу.
Кроме фундаментальных аспектов рентгеновское излучение лазерной плазмы интересно потому, что оно позволяет создать эффективный и компактный лабораторный источник рентгеновского излучения для применения в различных областях науки, например, в рентгеновской микроскопии. В этом случае, рентгеноспектральные методы исследования позволяют изучить процесс взаимодействия лазерного излучения с мишенями и оптимизировать лазерную плазму как источник рентгеновского излучения для различных прикладных задач. Например, проведенные в данной работе эксперименты показывают, что плазма, образующаяся на поверхности мишеней, состоящих из элементов с небольшими зарядами ядра (фтор, углерод и т.д.), является в настоящее время одним из наиболее ярких точечных компактных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ) с длинами волн порядка нескольких десятков ангстрем. Таким образом, ФЛП может успешно применяться как источник освещения в высокоразрешающей микроскопии и радиографии, закрывая разрыв между оптической микроскопией и традиционной рентгеновской радиографией, использующей источники жесткого рентгеновского излучения. В частности, излучение в мягком рентгеновском или
вакуумном ультрафиолетовом диапазонах наилучшим образом подходит для получения изображений сверхтонких пленок, микро и нанообъектов, потому что оно достаточно эффективно абсорбируется даже несколькими нанометрами большинства материалов.
В случаях, когда необходимо получить изображения практически прозрачных для излучения объектов (например, очень тонкие объекты, объекты, состоящие из материалов с небольшими зарядами ядра Z, полимеры или биологические образцы), контраст изображений может формироваться не за счет абсорбции, а за счет фазового контраста. Методы фазового контраста имеют ряд преимуществ перед традиционной радиографией, например, возможность снизить дозу облучения предмета практически до нуля, значительно большую чувствительность и, как
,
следствие, возможность исследования наноструктур и материалов с низкими атомными номерами. До недавнего времени единственными источниками, с помощью которых можно было реализовать методы фазового контраста, были синхротроны - сложные и дорогие установки огромных размеров. Появление сверхинтенсивных и сверхбыстрых лабораторных лазерных установок сделало актуальным разработку компактных когерентных источников рентгеновского излучения, в том числе и на основе сверхбыстрой лазерной плазмы, что открывает перспективы ее использования для решения более широкого круга прикладных
задач.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель данной работы состоит в проведении фундаментальных и прикладных исследований в области взаимодействия сверхинтенсивного сверхкороткого лазерного излучения с веществом.
Основными задачами, которые были поставлены в ходе исследований, являются: экспериментальное исследование генерации мягкого рентгеновского излучения фемтосекундной лазерной плазмы, оптимизация выхода мягкого рентгеновского излучения из такой плазмы и его использование для абсорбционной и фазово-контрастной радиографии микро и нанообъектов.
новизна работы
Научная новизна работы
1. Разработан метод для выделения линий излучения многозарядных ионов из сильно зашумленных рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы, регистрируемых с помощью детекторов на основе приборов с зарядовой связью.
Проведены комплексные исследования особенностей формирования рентгеновских спектров многозарядных ионов в плазме, образующейся под воздействием сверхинтенсивного сверхкороткого лазерного излучения. Проведена оптимизация пространственно спектральных характеристик образующейся
, позволившая
фемтосекундной лазерной плазмы, позволившая разработать высокоинтенсивный
точечный источник излучения радиографии нанообъектов в мягком
рентгеновском диапазоне длин волн. Выполнены измерения пространственной когерентности такого источника.
-
Разработан новый метод получения изображений микро и нанообъектов с использованием кристаллов фторида лития в качестве детектора рентгеновского излучения. Продемонстрирована возможность регистрации изображений различных объектов с субмикронным пространственным разрешением и полем зрения в несколько квадратных сантиметров
-
Предложены и реализованы методы по определению неоднородностей в толщине и составе тонких пленок с толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Для улучшения чувствительности определения неоднородностей применен метод распространительного фазового контраста с использованием в качестве источника освещения мягкого рентгеновского излучения плазмы, нагреваемой фемтосекундными лазерными импульсами.
ПОдКТИЧбСКЭЯ LIGHHOCTb
Разработанный метод удаления шумов из сигналов, записанных с помощью детекторов на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС детектор), может быть использован для улучшения отношения сигнал/шум при регистрации рентгеновских спектров ФЛП, а в некоторых случаях для обнаружения спектральных линий, полностью скрытых шумами. Это позволяет более точно проводить диагностику параметров плазмы, образующейся при воздействии сверхинтенсивных сверхкоротких лазерных импульсов на вещество. Экспериментально измеренные в работе рентгеновские спектры излучения ФЛП для различных материалов мишени и параметров лазерного пучка могут применяться не только для определения яркости, спектра излучения и размера источника, но и для тестирования новых теоретических моделей, описывающих формирование спектров многозарядных ионов в нестационарной плазме, нагреваемой сверхинтенсивным лазерным излучением. Применение разработанного компактного источника МРИ для изучения внутренней структуры микро и нанообъектов позволяет проводить измерения, которые невозможно реализовать с помощью традиционной рентгеновской радиографии: исследовать очень тонкие объекты (пленки с толщиной до нескольких нм), материалы с низкими плотностями или биологические образцы. Разработанные и использованные в работе детекторы на основе кристаллов LiF, не чувствительные к видимому и слабо чувствительные к жесткому рентгеновскому излучению, имеют высокий динамический диапазон и большую площадь для записи сигнала, что позволяет регистрировать рентгеновские изображения с субмикронным пространственным разрешением и высоким контрастом и использовать их в различных областях науки и техники. При использовании LiF детектора в оптической системе с источником освещения на основе фемтосекундной лазерной плазмы
можно реализовать метод для практического определения качества нанопленок. Кроме того, как было продемонстрировано в настоящей работе, благодаря небольшим размерам и, как следствие, частичной пространственной когерентности, источник мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы может использоваться для получения изображений с помощью метода распространительного фазового контраста, что расширяет границы практического применения ФЛП источника.
Положения, выносимые на защиту
-
Разработка метода выделения спектральных линий многозарядных ионов из сильно зашумленных пикообразными помехами рентгеновских спектров фемтосекундной лазерной плазмы. Анализируя серию зарегистрированных спектров (от 5 штук), метод удаляет паразитные пики любой амплитуды и ширины из каждого спектра, отличая их от узких спектральных линий, а также линий, по амплитуде сравнимых с величиной помех. Эффективность работы метода ограничена только сильными колебаниями в интенсивности сигнала из плазмы и числом поврежденных точек на каждом спектре (~ 10-12% от общего числа пикселей).
-
Исследование зависимостей излучения рентгеновских спектров многозарядных ионов F, AI и Fe от условий возбуждения плазмы, образующейся под воздействием лазерных импульсов различной длительности (rUMn=60-1000 фс) и энергии (Euмп=^5-^20 мДж), позволившее разработать высокоинтенсивный точечный источник излучения для радиографии микро и нанобъектов в мягком рентгеновском диапазоне длин волн (10-100 А) с эффективностью преобразования лазерного излучения в мягкое рентгеновское излучение не менее 1%. При этом в отдельных спектральных линиях указанного диапазона рентгеновский поток источника превышает 1011 фотон/ср за один выстрел.
-
Разработка и экспериментальное использование детектора рентгеновского излучения на основе кристаллов фторида лития для регистрации двухмерных рентгеновских изображений наноструктур и нанопленок с субмикронным пространственным разрешением и изучение дифракции рентгеновских лучей.
-
Измерение пространственной когерентности источника мягкого рентгеновского излучения на основе фемтосекундной лазерной плазмы и его использование в когерентной оптической системе, реализующей метод распространительного фазового контраста для регистрации изображений наноструктур.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, были лично представлены автором на следующих Всероссийских и международных конференциях: International Workshop -Emerging Sources, 2007 (Lund, Sweden); «Воздействие интенсивных потоков на
вещество», 2008 (Эльбрус, Каб.-Балк. респ.); 50-я Научная конференция МФТИ 2007 (Москва, Россия); 6th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and Their Interaction with Electromagnetic Radiation, 2008 (Moscow, Russia); International Conference «Laser Optics 2008», 2008 (St.Petersburg, Russia); бой Российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах», 2008 (Новый Афон, Абхазия). Основные результаты диссертации отражены в 6 статьях в реферируемых журналах и 4 работах в сборниках трудов конференций. Полный список статей, опубликованных по материалам диссертации, представлен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись проведение экспериментальных исследований, обработка, систематизация и интерпретация экспериментальных данных, а также моделирование результатов экспериментов по радиографии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, всего 136 страниц, включая 51 рисунок и библиографию из 131 наименования.
