1. Физические особенности взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердых тел и формирования лазерной плазмы (обзор литературы)

1.1. Общие сведения

Современные лазерные системы обладают рекордной мощностью излучения и позволяют получать высокую концентрацию энергии в облучаемом веществе. Фокусировка лазерного излучения, обладающего слабой расходимостью, приводит к процессам взаимодействия с веществом излучения высокой плотности мощности и напряженности электрического поля световой волны. Исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средствами охватывают широкий диапазон плотности потока q (10³-10¹⁵Вт/см²), и характер процессов, развивающихся при таком взаимодействии, зависит в первую очередь от значения q на поверхности облучаемого вещества.

Одним из наиболее интересных физических эффектов взаимодействия, имеющим и большое практическое значение, является образование плотной высокотемпературной плазмы при плотности потока лазерного излучения, превышающей критическое значение q₀. При q  q₀ поглощенная энергия превышает энергию связи атомов в веществе и энергию ионизации, в результате чего слой облучаемого вещества превращается в плазму. В дальнейшем сильноионизованная плазма поглощает лазерное излучение, что приводит ее к значительному разогреву.

Из-за большого градиента давления вещество выбрасывается с облученной поверхности, и происходит газодинамическое расширение плазменного сгустка. Другим важным фактором, влияющим на характер нагрева плазмы и ее разлет, является соотношение между временем действия лазерного импульса t_л и временем газодинамического разлета плазмы t_р, которое определяется временем жизни плазмы в области горячего ядра сгустка, т.е. величиной r₀ / c, где r₀- начальный размер плазменного сгустка, примерно равный радиусу пятна фокусировки лазерного излучения, с- скорость звука в плазме. При взаимодействии с веществом импульсов лазерного излучения наносекундной длительности реализуется режим газодинамического движения, когда t_л  t_p.

Исследования плазменного сгустка на ранних стадиях его разлета показали, что в нем можно выделить три зоны, различающиеся плотностью частиц и характером газодинамического движения (рис.2.1) [4].

Зона 1- плотное горячее ядро факела, поглощающее лазерное излучение, зона 2 - зона ускорения, в которой происходит переход тепловой энергии плазмы в кинетическую энергию направленного газодинамического движения, и зона 3 - в ней скорость движения частиц плазмы выходит на асимптотическое значение, а тепловая энергия плазмы существенно меньше энергии направленного движения. Поскольку интенсивным эмиттером ионов является, в первую очередь, область плотного горячего ядра сгустка (зона 1), именно эта область и ее параметры представляют наибольший интерес.

Рис.2.1. Характерные зоны в разлетающейся лазерной плазме (АА – каустика лазерного излучения)

В работе [5] получены выражения для оценки внутренней энергии, Дж/кг, плотности, кг/м³, и массы горячего ядра лазерной плазмы, кг, в зависимости от мощности излучения W, Вт, и начального размера плазменного сгустка r₀, см:

є ≈ 5,3∙10⁸ k₀ r₀ W^4/9 ;

ρ ≈ 1,3 ∙10^-5 k ₀ r ^–1₀ W^1/3; (1)

M ≈ 1,9 ∙10^-6 k ₀ t_л r ^2/3₀ W^5/9,

где k₀ = Z³(Z+1)^3/2 A ^{– 7/2}; Z – порядковый номер элемента; А – его атомная масса.

Многочисленные экспериментальные исследования лазерной плазмы можно условно разделить на две группы. К первой относятся исследования плазменного сгустка в момент его образования. В этих исследованиях используют методы оптической спектроскопии и интерферометрии. Вторая группа исследований посвящена изучению бесстолкновительной лазерной плазмы на поздних стадиях ее разлета, в которых используются коллекторные и масс-спектрометрические методы. В конечном итоге с помощью корпускулярных методов диагностики лазерной плазмы можно получить количественную информацию о частицах лазерной плазмы, изучить такие параметры, как энергетические и пространственные спектры ионов, электронов и нейтральных частиц, зарядовые спектры ионов, и идентифицировать массовый состав частиц плазмы.