На кафедре общей физики и волновых процессов проследили изменение механизмов ионизации от видимого до среднего ИК диапазона

Сотрудники физического факультета МГУ проследили изменение механизмов ионизации от видимого до среднего ИК диапазона. Исследование поможет разработать новые методы микрообработки, приблизит создание сенсоров нового типа, а также будет полезно в биомеханике и реабилитационной инженерии. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

В настоящее время лазерные технологии активно продвигаются в смежные диапазоны длин волн, недоступные человеческому глазу — рентгеновскую и инфракрасную (ИК) области. История лазерных источников в среднем ИК диапазоне длин волн (2,5-25 мкм) ведется практически от изобретения самих лазеров (с 1964 года). Создаваемые сегодня источники излучения в среднем ИК диапазоне, в отличие от своих предшественников, обладают ультракороткой длительностью вплоть до десятков фемтосекунд (10-15 с). Изменение длины волны и длительности импульса лазерного излучения по сравнению с доступными ранее источниками приводит к новому характеру взаимодействия излучения с веществом.

Группа учёных кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ исследует механизмы пробоя вещества (диэлектриков и полупроводников), то есть необратимого изменения структуры, под воздействием лазерного излучения с разной длиной волны. Для излучения ультракороткой длительности первым шагом на пути повреждения материала является генерация плазмы — возбуждение и ионизация электронов атомов. Механизмы ионизации зависят от длины волны воздействующего излучения. В видимом диапазоне длин волн преобладает многофотонная ионизация, в то время как в среднем ИК диапазоне генерация электронов происходит за счет туннельного механизма. Созданные электроны затем начинают увеличивать свою энергию (нагреваться) за счет взаимодействия с лазерным импульсом. Характер этого взаимодействия также зависит от длины волны. В видимой области спектра нагрев крайне неэффективен. В области длин волн 3-4 мкм электроны очень быстро увеличивают свою энергию. Однако, на больших длинах волн механизм нагрева снова меняется и эффективный набор энергии прекращается. «В данной работе нам впервые удалось проследить изменение описанных механизмов от видимого диапазона длин волн до среднего ИК как экспериментально, так и с помощью численного моделирования. Полученная информация позволяет судить о зависимости порога повреждения материала от длины волны», — рассказал Фёдор Потёмкин, доцент кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ.

Физики МГУ самостоятельно разрабатывают фемтосекундные источники лазерного излучения в среднем ИК диапазоне, что позволяет им контролировать и управлять параметрами лазерных импульсов для проведения такого рода экспериментов. В МГУ разработаны авторские методики по регистрации процесса генерации плазмы (например, с использованием процесса генерации третьей гармоники), измерения ее параметров и эволюции. Сочетание указанного опыта позволяет учёным из МГУ независимо проводить все экспериментальные исследования. Кроме того, в данной работе авторами из МГУ также была разработана теоретическая модель и написан комплекс программ для расчета процессов ионизации.

Полученные результаты важны для развития технологической базы оптических компонент среднего ИК диапазона, так как для развития самих лазерных источников необходимы оптические покрытия и элементы с высокой лучевой прочностью. «Понимание механизмов ионизации, предшествующих пробою, позволяет управлять этим явлением. В частности, создание модифицированных областей с управляемой морфологией, размером и структурой является важной задачей лазерной микрообработки. Так как импульсы с разной длиной волны по-разному взаимодействуют с веществом, то мультиспектральное воздействие (например, за счет использования пары импульсов с разными длинами волн) может привести к повышению точности процесса микрообработки, сделает его более управляемым и предсказуемым. Новые методы микрообработки важны, например, для создания сенсоров на основе волоконных Брэгговских решеток в биомеханике и реабилитационной инженерии (определение суставных напряжений и деформаций)», — добавил Фёдор Потёмкин.

Материал подготовлен в рамках проекта Наука-МГУ