SUPERCONTINUUM AND RADIATION GENERATION ON MOLECULAR NITROGEN IONS IN LASER PLASMA

ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА И ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИОНАХ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ

Научная статья

Зятиков И.А.¹, *, Лосев В.Ф.²

¹ ORCID: 0000-0003-3219-9299;

^1–2 Институт Сильноточной Электроники СО РАН, Томск, Россия

^* Корреспондирующий автор (kidnapper66[at]gmail.com)

Аннотация

В работе приводятся результаты исследования параметров генерации в прямом направлении на первой отрицательной системе (переход ) ионов молекулярного азота в лазерной плазме, которая создавалась в воздухе или чистом азоте лазерным излучением с центральной длиной волны 950 нм, длительностью импульса 50 – 60 фс и энергией до 10 мДж. Изучалось влияние давления азота и энергии накачки на интенсивность излучения на длинах волн 391.4 нм (0 – 0 колебательный переход) и 427.8 нм (0 – 1). Показывается, что, изменяя давление азота можно получать генерацию на разных колебательных переходах иона молекулярного азота и менять их интенсивности. Максимальные интенсивности на длинах волн 391.4 нм и 427.8 нм наблюдались при давлении азота ~ 30 и ~ 500 мбар соответственно. Оптимальные давления генерации определяются ростом усиления за счёт увеличения числа ионизированных молекул азота в возбужденном состоянии с одной стороны, и снижением усиления благодаря тушению возбужденных состояний нейтральными молекулами азота и плазменными электронами, с другой. Также показывается, что для запуска процесса генерации необходимо мощное затравочное излучение, в качестве которого выступают фотоны широкополосного суперконтинуума, возникающего в этой же лазерной плазме.

Ключевые слова: генерация, суперконтинуум, лазерная плазма, молекулярные ионы азота, интенсивность.

SUPERCONTINUUM AND RADIATION GENERATION ON MOLECULAR NITROGEN IONS IN LASER PLASMA

Research article

I.A. Zyatikov¹, ^* , V.F. Losev²

¹ ORCID: 0000-0003-3219-9299;

^1–2 Institute of High Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia

^* Corresponding author (kidnapper66[at]gmail.com)

Abstract

This paper presents the results of the study of the generation parameters in the forward direction on the first negative system (transition ) of molecular nitrogen ions in the laser plasma, which was created in air or pure nitrogen by laser radiation with a central wavelength of 950 nm, pulse duration of 50 – 60 fs, and energy of up to 10 mJ. The effect of nitrogen pressure and energy pumping on the emission intensity at 391.4 nm (0 – 0 vibrational transition) and 427.8 nm (0 – 1) was studied. It is shown that by changing the pressure of nitrogen, it is possible to obtain generation of different vibrational transitions of the molecular nitrogen ion and to change their intensities. The maximum intensities at 391.4 nm and 427.8 nm were observed at nitrogen pressures of ~ 30 and ~ 500 mbar, respectively. Optimal generation pressures are determined by an increase in intensity due to an increase in the number of ionized nitrogen molecules in the excited state, on the one hand, and a decrease in gain due to quenching of excited states by neutral nitrogen molecules and plasma electrons, on the other hand. It is also shown that starting the generation process requires powerful seed radiation, which are photons of a broadband supercontinuum appearing in the same laser plasma.

Keywords: generation, supercontinuum, laser plasma, molecular nitrogen ions, intensity.

Введение

За последнее время безрезонаторная генерация в воздухе, создаваемая в лазерной плазме путём накачки сверхмощными ультракороткими лазерными импульсами, привлекла значительное внимание исследователей [1], [2], [3], [5]. Используя компоненты воздуха можно потенциально создавать источник когерентного излучения в атмосфере без применения резонатора на расстоянии несколько километров от лазера накачки [6], [7]. Поэтому такие источники имеют большую перспективу для зондирования атмосферы [8], [9] и применения их в других областях, таких как спектроскопия, медицина и т.д.

Под генерацией подразумевается высоконаправленное когерентное вынужденное излучение в активной среде. Основное внимание исследователей уделяется изучению генерации на первой отрицательной системе ионов молекулярного азота (длина волны 391.4 и 427.8 нм), которые соответствуют переходам В²S⁺_u(v’ = 0) – X²S⁺_g(v = 0, 1), где v и v’ это колебательные квантовые числа верхнего и нижнего электронных состояний [1], [2], [10], [11]. Данные линии были получены путём накачки воздуха или чистого азота высокоинтенсивными лазерными импульсами в инфракрасной (ИК) области спектра, включая 800 нм [2, 10 – 12], 950 нм [13,14], 1.03 мкм [15]. В работах было показано что для достижения генерации необходимо внешнее затравочное излучение на длине волны соответствующего перехода на ионах молекулярного азота. Такое излучение обычно получают путём удвоения частоты излучения накачки, либо за счет гармоник высокого порядка или фотонов суперконтинуума (СК). При этом затравочное излучение может формироваться как в дополнительном источнике [16], [17], [18],[19], так и непосредственно в лазерной плазме, являющейся активной средой [2], [12], [13]. Оно всегда когерентно и имеет линейную поляризацию, а излучение на ионах молекулярного азота копирует эти свойства.

Из литературы известно, что интенсивность генерации на ионах молекулярного азота зависит от давления газа [12], [20], [22], [23]. Как правило, линию 391.4 нм получают при низком давлении в лазерной камере (от 10 до 200 мбар), а линию 427.8 нм получают при более высоких давлениях (от 200 мбар и выше, вплоть до атмосферного).

Большинство работ, как правило, посвящено исследованию генерации на длине волны 391.4 нм в камере низкого давления при накачке ультракоротким лазерным импульсом на длине волны 800 нм. При этом показано, что длина волны накачки влияет на параметры генерации на ионах молекулярного азота [1]. В настоящее время, насколько нам известно, существует только 2 работы, которые посвящены исследованию зависимости генерации на длине волны 427.8 нм от давления [12] и от энергии накачки на длине волны 800 нм [23]. Следует также отметить, что до настоящего времени не выяснен окончательно механизм генерации на ионах молекулярного азота и любые новые данные могут помочь его установить.

Целью данной работы является исследование поведения интенсивности излучения СК и генерации на ионах молекулярного азота с длинами волн 391.4 нм и 427.8 нм в зависимости от давления азота и энергии накачки фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны 950 нм. Результаты данных исследований могут быть полезны как для понимания процессов, лежащих в основе возникновения генерации, так и для разработки эффективных источников когерентного и коротко-импульсного излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Аппаратура и методики измерения

Схема эксперимента представлена на рисунке 1. Для создания лазерной плазмы нами использовался твердотельный фемтосекундный лазерный комплекс на кристаллах Ti:Sa, который формировал спектрально-ограниченный импульс с длительностью 50 – 60 фс, центральной длиной волны 950 нм и диаметром пучка 1.5 см (уровень интенсивности 1/e²). Комплекс работал на частоте 10 Гц. Данный пучок с энергией до 10 мДж фокусировался плоско-выпуклой линзой Л₁ (F₁ = 30 см) в газовую камеру с азотом высокой чистоты, либо в атмосферный воздух. Давление в камере изменялось в диапазоне от 10 до 1000 мбар. Излучение генерации на ионах молекулярного азота после камеры коллимировалось линзой Л₂ с фокусным расстоянием F₂ = 30 см, затем фокусировалось на щель спектрометра линзой Л₃ с фокусным расстоянием F₃ = 20 см. Передспектрометромустанавливалсяфильтр, которыйотсекал ИК излучениенакачки.

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки:
Л₁ – фокусирующая линза; Л₂ и Л₃ – собирающие линзы для регистрации излучения;
1 – узкополосный фильтр; 2 – генерация

Для измерения спектрального состава СК и оценки интенсивности генерации на ионах молекулярного азота использовался спектрометр OceanOpticsHR-4000CG-NIR со спектральным разрешением 0.75 нм.

Результаты и обсуждение

Основные результаты данной статьи были получены при генерации излучения в лазерной камере. На рисунке 2 представлен график зависимости интенсивности генерации на длинах волн 391.4 нм и 427.8 нм от давления. Из графиков видно, что для линии азота 391.4 нм до оптимального значения давления в азотной камере ~ 30 мбар ее интенсивность возрастает, затем происходит резкий спад интенсивности и прекращение генерации при давлении азота ~ 600 – 700 мбар. Для линии азота 427.8 нм оптимальным значением давления является ~ 500 мбар. При атмосферном давлении азота наблюдалась только одна линия на длине волны 427.8 нм. Полученные значения оптимальных давлений в азотной камере хорошо согласуются с литературными данными [12], [21], [22]. Стоит отметить, что с уменьшением давления азота увеличивается оптимальное значение энергии (мощности) импульсов накачки. Максимумы интенсивностей при оптимальных давлениях для двух длин волн наблюдались при одной и той же энергии накачки ~ 6 мДж (~ 110 ГВт). Примерно эти же значения энергии были оптимальными и при меньших давлениях, однако с ростом давления оптимальная энергия накачки снижалась до ~ 4 мДж (~ 70 ГВт).

Рис. 2 – Зависимости интенсивности генерации на длинах волн 391.4 нм (слева) и 427.8 нм (справа) при различном давлении азота и оптимальных значениях энергии накачки

Из рисунка 2 видно, что интенсивность излучения для каждой линии при изменении давления ведет себя по-разному. По нашему мнению, это связано с тем, что при увеличении давления азота важную роль для генерации играют два процесса: рост усиления за счёт увеличения числа ионизированных молекул азота N₂⁺ в возбужденном состоянии В²S⁺_uи снижение усиления благодаря тушению возбужденных состояний нейтральными молекулами азота и плазменными электронами. В результате, максимум интенсивности генерации на длине волны 391.4 нм достигается при давлении в газовой камере в районе 30 мбар, когда данные два процесса находятся в балансе. Для линии 427.8 нм такой баланс реализуется при давлениях ~ 500 – 600 мбар. Возникает вопрос, почему на этих линиях разное оптимальное давление. Дело в том, что при увеличении давления азота более 30 мбар за счет тушения происходит увеличение скорости расселения на нижнем лазерном уровне с колебательного уровня X(1) на X(0), увеличивая инверсию на первый уровень, и уменьшая на нулевой. В результате, интенсивность излучения на переходе B(0) – X(1) (длина волны 427.8 нм) начинает повышаться с ростом давления азота пока не достигнет оптимума, а на переходе B(0) – X(0) (длина волны 391.4 нм) уменьшаться. Этим также можно объяснить тот факт, что в одних условиях длительность импульса генерации на длине волны 391.4 нм короче, чем длительность импульса на 427.8 нм [24]. По аналогии можно объяснить и увеличение оптимального значения энергии накачки с уменьшением давления. Чем меньше давление для данной конкретной линии азота, с которого она начинает появляться, тем необходимо большая энергия накачки для достижения баланса усиления и тушения

Следует отметить важную роль интенсивности СК в спектральной области генерации молекулярного азота, которая запускает и повышает интенсивность генерации. Нами исследовались спектральный состав и интенсивность СК в зависимости от энергии накачки (рисунок 3). Было показано, что спектр СК расширяется с ростом энергии накачки и только при определенной энергии начинает перекрывать спектральную область генерации на молекулярных ионах азота. При этом с ростом мощности СК происходит значительное увеличение интенсивности излучения азота.

Рис. 3 – Поведение интенсивности СК и генерации на длине волны 427.8 нм для различных энергий накачки при давлении азота в ~ 1000 мбар

Заключение

Таким образом, в работе были исследованы спектральные параметры излучения СК и генерации на первой отрицательной системе (переход В²S⁺_u– X²S⁺_g) ионов азота в лазерной плазме, создаваемой лазерным излучением с центральной длиной волны 950 нм и длительностью импульса 50 – 60 фс. Было показано, что генерацией на длинах волн 391.4 и 427.8 нм можно управлять изменением интенсивности СК, давлением азота и энергией накачки. Найдены оптимальные условия для получения генерации на каждой длине волны. Так, максимальная интенсивность на длине волн 391.4 нм наблюдается при давлении азота ~ 30 мбар, а на 427.8 нм – при давлении ~ 500 мбар. Энергия накачки при оптимальных значениях давления составляет ~ 6 мДж. Предложено объяснение существования различных оптимальных давлений, которое обусловлено перераспределением населенностей на колебательных уровнях X(1) и X(0) нижнего лазерного уровня за счет тушения нейтральными молекулами азота и плазменными электронами. Показано, что для запуска процесса генерации необходимо мощное затравочное излучение, в качестве которого выступают фотоны широкополосного суперконтинуума, возникающего в этой же лазерной плазме.

 

Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке проектом РФФИ № 20-08-00060 и проектом РФФИ и Томской области № 19-48-700016.

Funding The reported study was funded by RFBR project No. 20-08-00060 and by RFBR and Tomsk region project No. 19-48-700016.

 

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.