| Результаты этапа: 1. С помощью время-разрешенной теневой фотографии был определён диапазон энергий фемтосекундных лазерных импульсов и расстояний от точки фокусировки лазерного импульса до образца, при котором возможно инициировать фазовые переходы в кремнии. Было обнаружено, что при острой фокусировке (NA=0.5) фемтосекундного лазерного импульса ближнего ИК диапазона достигается давление в 15 ГПа, при этом в случае лазерной ударной обработки (ЛУО) в образце кремния давление будет достигать 40 ГПа, что превышает пороговое давление фазового перехода (11 ГПа). Давление на фронте ударной волны при ее распространении в среде быстро (за 10 мкм) уменьшается ниже порогового значение, что значительно ограничивает возможные режимы работы в режиме ЛУО.
2. Проведенное с помощью пакета молекулярной динамики моделирование показывает, что при распространении ударной волны в кремнии с амплитудой более 1.2 км/с будет наблюдаться фазовый переход из алмазной в β-Sn на фронте ударной волны. В случае воздействия ультракоротких лазерных импульсов на буферную среду, в качестве которой планируется выбрать воду, в ней будет происходить генерация лазерно-индуцированных ударных волн. Использование буферной среды необходимо для того чтобы избежать абляции поверхности кремния. Длительность ударной волны будет составлять от долей до нескольких наносекунд, таким образом рентгеновский импульс (синхротронного или лазерно-плазменного генератора) будет использован для восстановления динамики данных фазовых переходов.
3. С использованием стандартного источника рентгеновского излучения смоделированы рентгенодифракционные эксперименты по исследованию обратимых и необратимых процессов, инициируемых в результате лазерного воздействия на поверхность совершенных кристаллов Si. Воздействие на поверхность кристаллов осуществлялось как наносекундными (ns), так и фемтосекундными (fs) лазерными импульсами в широком диапазоне плотностей энергии. Было показано, что при умеренном fs воздействии происходят обратимые процессы, т.е. структура возвращается к исходному состоянию с некоторыми изменениями, зависящими от энергии облучения. В то же время при облучении мощными лазерными импульсами с энергией 0.79 мДж (соответствующая плотность энергии 790 Дж/см^2) были обнаружены полиморфные фазы кремния Si-I и/или Si-III(IX), что отчётливо свидетельствует о возникновении высоких давлений и температур. При переходе в время-разрешённому эксперименту будут прояснены механизмы зарождения и протекания процесса образования этих фаз кремния. В рамках подготовки к проведению экспериментов в режиме синхронизации на источнике синхротронного излучения («КИСИ-Курчатов») в качестве модельных образцов будут приготовлены высокосовершенные кристаллы Si(111), на которых будут проведены эксперименты по изучению как обратимых, так и необратимых фазовых переходов в различных режимах лазерного воздействия.
4. Развит метод прецизионной юстировки поликапиллярной полулинзы с помощью трассера на основе He-Ne лазера и пятикоординатной оптико-механической подвижки для проведения экспериментов с микроразмерными (10-20мкм) лазерно-плазменными рентгеновскими источниками. Точность угловой настройки рентгеновской оптики на точечный лазерно-плазменный источник составляет ~6 минут.
5. Зарегистрирован с использованием поликапиллярной полулинзы пучок рентгеновских фотонов от точечного фемтосекундного лазерно-плазменного источника. Оценено пропускание, которое составило ~7%. В рентгеновском спектре после полулинзы максимум пропускания отвечает квантам с энергией ~6 кэВ. Малое количество квантов ~10^5 в полный телесный угол за лазерный выстрел из-за низкого уровня энергии лазера (1мДж) обеспечивало на входной апертуре полулинзы не более ~50 рентгеновских квантов, что ограничивало возможности прецизионной юстировки.
6. Разработана и реализована схема установки для проведения экспериментов по лазерно-плазменной генерации характеристического рентгеновского излучения сверхкороткой длительности.
7. Установлено, что выход рентгеновского излучения при воздействии фемтосекундного интенсивного излучения Cr:forsterite лазера на наноструктурированную ленту является поляризационно-чувствительным, причем выход возрастает в 2 раза для P-поляризованного лазерного излучения (энергия 1мДж, длительность 100фс) по сравнению с S- поляризованным .
8. Обнаружено, что при воздействии сфокусированного (числовая апертура NA = 0,1) Р-поляризованного излучения импульсно-периодического фемтосекундного излучения лазера на Cr: forsterite (энергия 1 мДж, длительность 100 фс) на железосодержащую наноструктурированную ленту в воздухе, температура электронов ограничена на уровне 2,5±0,5 кэВ. В этом случае выход характеристического рентгеновского излучения (6,4кэВ) достигает уровня 2*104фотонов / импульс в телесный угол.
9. Предложена и реализована схема локализованного поддува гелия в область взаимодействия лазерного излучения с мишенью, позволяющая оптимизировать получение высокого выхода характеристического рентгеновского излучения.
10. Установлено, что при воздействии излучения фемтосекундного Cr: forsterite лазера (энергия 1мДж, длительность 100 фс, NA = 0,1) на ноструктурированную ленту в гелии достигается увеличение выхода рентгеновского излучения до 105фотонов/импульс в телесный угол, что в 5 раз превышает значение выхода в воздухе. При этом температура электронов увеличивается в 1,5-2,0 раза по сравнению с воздухом и достигает 6 ± 2 кэВ
11. Обнаружено, что при воздействии чирпированных импульсов фемтосекундного Cr:forsterite лазера (энергия 1мДж, длительность 300 фс, NA=0,1) на наноструктурированную железосодержащую лентой в условиях гелиевого окружения выход рентгеновского излучения увеличивается в два раза и достигает 2*10^5 фотонов/импульс (или 2*10^6 фотонов/секунду) в телесный угол.
В результате созданы все необходимые предпосылки для проведения на завершающем этапе проекта экспериментов по синхронному сверхбыстрому воздействию рентгеновского и оптического импульсов на вещество, в первую очередь полупроводники, как наиболее перспективные материалы, исследование и управление свойствами которых особенно важно для обновления компонентной базы высокочастотной интегральной ИК фотоники. |
