На рисунке 5.3c видно, что источник терагерцового излучения существует конечное время за лазерным импульсом. Даже в отсутствие диссипации имеет место затухание колебаний излучающего момента связанное, по-видимому, с «перемешиванием» в поперечно неоднородном плазменном столбе (сравни рисунки 5.3b и 5.3c). Видно, что полученный при численном моделировании результат находится в хорошем качественном соответствии с аппроксимацией (11), поэтому выводы сделанные для модели справедливы и для излучения, рассчитанного численно. Для упрощения численного моделирования выбирались минимальные апертуры, при которых процесс распространения лазерного импульса и генерации терагерцового излучения выходит на стационарный режим.
В целом совокупность экспериментальных данных находится в хорошем соответствии с результатами теоретического исследования генерации ТИ на основе предложенной модели. Характерной особенностью процесса генерации является наличие порогового значения амплитуды лазерного излучения (см. рисунок 5.1c). Вычисления дают для зависимости амплитуды ТИ от энергии лазерного импульса поведение сходное с полученным экспериментально (см. рисунок 5.1b и рисунок 5.3e). Для объяснения такого поведения принципиальным оказался учет рефракции оптического излучения на возникающей плазме. Теория дает более низкое значение пороговой энергии фемтосекундного импульса (примерно вдвое). Это обстоятельство связано, видимо, с аппроксимацией скорости ионизации выражением (3). Оно проявляется и в другом. Резкая зависимость темпа ионизации от поля приводит к завышенному значению (по сравнению с экспериментом) для характерной частоты ТИ (примерно на порядок). Экспериментальные данные о поляризации ТИ дополнительно свидетельствуют в пользу механизма излучения связанного с радиальными колебаниями плазменного следа. Численные расчеты подтверждают этот вывод, и конусную структуру диаграммы направленности ТИ. Последнее обстоятельство и связь его с черенковским излучением обсуждалась еще в [16].
Рисунок 5.1. a - зависимость амплитуды терагерцового сигнала от времени, полученная на некотором расстоянии от оси системы, b - спектр терагерцового импульса, c - зависимость амплитуды терагерцового импульса от энергии импульса накачки.
Рисунок 5.2. Распределение мощности (a) и поперечной компоненты вектора поляризации (b) терагерцового излучения в плоскости перпендикулярной оси системы на расстоянии см от искры.
Рисунок 5.3. a, b - зависимость интенсивности () лазерного излучения и электронного тока от сопутствующего времени и поперечной координаты при значении трассы отмеченном пунктиром на рис c., c - зависимость излучающего момента от сопутствующего времени и трассы ; d - зависимость плотности ионов от поперечной координаты и трассы при соответствующих окончанию оптического импульса, e - зависимость мощности терагерцового излучения от энергии лазерного импульса.
6. Перечень услуг, предоставляемых центром коллективного пользования «Центр микроволновых и лазерных нанотехнологий»
Одной из основных задач центра является повышение эффективности научно- исследовательских и опытно конструкторских работ путем предоставления сторонним организациям доступа к существующему и вновь запускаемому оборудованию центра. Центр обеспечивает представление услуг по трем направлениям: использование сторонними организациями для проведения испытаний и исследований уникальных установок и стендов ЦКП, проведение работ с использованием оригинальных технологий и технологического оборудования ЦКП, использование сторонними организациями оригинальных метрологических разработок, методов аналитических исследований и средств измерения.
Кроме того, оборудование ЦКП систематически используется в учебном процессе для выполнения: лабораторных работ студентами старших курсов, в профориентационной работе с молодежью - ежегодно проводятся ознакомительные экскурсии для школьников города Н. Новогорода.
ЦКП предлагает для использования сторонними организациями следующие установки и стенды
· Фемтосекундные лазерные стенды для облучения мишеней (газовых, твердотельных) оптическим излучением с мощностью около 500ТВт (1 импульс в 30 минут), с мощностью 1ТВт (частота повторения 10Гц), с мощностью 0.1ТВт (частота повторения 1кГц).
· Экспериментальные комплексы на основе гиротронов и карсинотронов для облучения мишеней импульсным электромагнитным излучением с мощностью до 1ГВт (сантиметровый диапазон длин волн, длительность импульса десятки наносекунд) и до 1МВт (миллиметровый диапазон, длительностью до 1 секунды).
· Оптический когерентный микроскоп для исследование биофизических процессов на уровне клетки.
Оригинальные технологии и технологическое оборудование, предоставляемые центром
· Специализированные гиротронные комплексы микроволновой обработки материалов для исследования процессов взаимодействия интенсивного микроволнового излучения с широким классом диэлектрических, полупроводниковых и металлических материалов, разработка методов создания новых материалов. Исследования можно проводить при мощностях микроволнового излучения 3-15 кВт в частотном диапазоне 24-84 ГГц при объеме рабочей камеры 100 л и более в диапазоне давлений 2 - 10-5 атм; точность автоматического поддержания температуры в процессах высокотемпературной обработки материалов 0,3%.
· Выращивание поликристаллических алмазных пластин толщиной 0.5-1 мм и диаметром 50-75 мм из газовой фазы в плазме СВЧ разряда для различных применений, в том числе для использования в качестве теплоотводящих подложек в электронной аппаратуре.
· Обработка поверхности алмазных пленок и пластин до шероховатости поверхности по 10-12 классу (Ra = 0.04-0.06).
· Экспериментальный стенд для генерации и регистрации сверхкоротких импульсов электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.
· Сильноточные источники ионов и интенсивные потоки неравновесной плазмы для модификации поверхностей на основе ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением гиротронов.
· Стенд для микромодификации поверхности и объема широкого класса веществ с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.
· Стенд для измерния оптических и термооптических характеристик среды в диапазоне температур от 77 до 300К.
· Стенд для измерения контраста фемтосекундного импульса в интервале до 10нс с динамическим диапазоном 8 порядков.
· Волоконная фемтосекундная лазерная система мощностью до 20 Вт для микроструктурирования материалов и генерации терагерцового излучения.
· Стенд неразрушающего контроля поверхности (микрошероховатости и плоскостности) оптических поверхностей и исследования микро- и наноструктур с разрешением по глубине ~ 1 ангстрем и менее 1 микрона по горизонтали и с размером изучаемой области до ~ 1 х 1,5мм. Размер исследуемых деталей до~ 40x40см.
· Параллельное преобразование аналоговых сигналов для задач обработки информации и нейрокомпьютинга.
Аналитические методы исследования и средства измерений
· Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом возбуждения-зондирования в ИК и терагерцовом диапазонах.
· Исследование нелинейных и электрооптических свойств новых материалов с субпикосекундным временным разрешением.
· Исследование действительной и мнимой части диэлектрической восприимчивости твердотельных, жидких и газообразных образцов методами терагерцовой импульсной спектроскопии в диапазоне 0.2-2 ТГц.
· Измерение диэлектрических свойств жидких, твердых и газообразных диэлектриков в ММ и СубММ диапазоне длин волн, включая измерения в широком диапазоне коэффициента поглощения газов, тангенса потерь и показателя преломления в твердых и жидких диэлектриках, а так же для измерения коэффициентов отражений металлов, сплавов и металлических покрытий.
· Разработанные методы оптической диагностики патологических процессов на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях на базе инвертированного микроскопа для работы в проходящем свете
- разработка методов направленной доставки в организме полифункциональных агентов на основе моноклональных антител флуоресцентных соединений относящихся к различным классам, с целью определения возможности их применения в диагностике;
- разработка модельных систем для оценки эффективности терапевтических методов воздействия с использованием флуоресцентных белков;
- оценка цитотоксического эффекта диагностических и терапевтических агентов.
· Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом двухцветного возбуждения-зондирования в диапазоне длин волн 500-2600 нм.
· Методика по определению толщины и линейных размеров объектов методами оптической микроскопии.
· Тестирование СВЧ узлов и приборов в широком диапазоне частот и в различных температурных режимах (от комнатных до криогенных); измерения шумовых характеристик и чувствительности миллиметровых и субмиллиметровых приемников.
· Измерение параметров волноводных и квазиоптических систем в диапазоне от 8 ГГц до 250 ГГц. Измерительная техника базируется на скалярных панорамных измерителях (коэффициентов отражения и прохождения), перекрывающих указанный диапазон, и механических устройств, обеспечивающих сканирование приемного рупора в плоскости измерения. Для измерений различных трактов возможно использование возбудителей различных типов волн (например, ТЕ11, ТЕ01, ТМ01, НЕ11, различных высших волн, квазиоптических пучков с гауссовой пространственной структурой).
· Измерение поглощения излучения в газах и конденсированных средах и отражательной способности металлов в диапазоне частот 36-380 ГГц при температурах от 20 до 6000С; относительная точность измерений показателя преломления и тангенса угла потерь диэлектриков равна соответственно 10-5 и до 10-3, абсолютная точность измерений поглощения в газообразных до 0.002 дБ/км, коэффициента отражения металлов с абсолютной точностью до 3Ч10-5.
7. Перечень организаций - пользователей оборудования ЦКП за отчетный период
Работы по проекту проводились с участием Института химии высокочистых веществ РАН (Нижний Новгород), Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (Саров), Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Института сильноточной электроники УрО РАН, (Томск), РНЦ «Курчатовский институт» (Москва), Институт физики микрострутур РАН (Нижний Новгород). Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск), Институт теоретической и экспериментальной физики РФЯЦ (Москва)
7.1 Работы проводились в рамках следующих контрактов и грантов
· . Грант РФФИ 08-02-99047 «Создание наноструктурных керамических и композиционных материалов с использованием микроволнового нагрева»
· Грант РФФИ 06-08-00585-а «Разработка высокоэффективных гиротронных комплексов для высокотемпературной микроволновой обработки материалов»
· Проект «Получение объёмных наноструктурных керамических и композиционных материалов при направленном воздействии микроволнового излучения на процессы массопереноса» по программе ОФН РАН «Проблемы радиофизики»
· Проект «Создание основ получения высокочистых слабоагрегированных наноразмерных оксидных порошков и спекания керамики с использованием микроволнового нагрева» по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы», направление "Разработка фундаментальных основ создания лазерной керамики"
Совместные контракты и гранты
· Совместный грант РФФИ 08-02-00531-а, "МГД стабилизация сильнонеравновесной плазмы тяжелых газов в осесимметричном пробкотроне", рук. П.А. Багрянский, ИЯФ соруководитель в ИПФ РАН - В.Г.Зорин
· МНТЦ 2753, рук. В.Г. Зорин, "Создание прототипа импульсного сильноточного источника многозарядных ионов с частотой повторения до 1 Гц на основе ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротрона". Совместно с сотрудниками ИТЭФ
· Совместный грант РФФИ 05-02-16256-а, «Исследования процессов многократной ионизации плазмы вакуумного дугового разряда при ее нагреве в условиях электронно-циклотронного резонанса», рук. Г.Ю. Юшков, ИСЭ УрО РАН, соруководитель в ИПФ РАН А.В.Водопьянов
· Совместный грант РФФИ 06-02-16438-а, «Исследование диверторной стабилизации сильнонеравновесной плотной плазмы ЭЦР разряда, создаваемого мощным миллиметровым излучением в открытой осесимметричной магнитной ловушке», рук. С.В.Голубев, ИПФ РАН, соруководитель - А.А.Сковорода РНЦ «Курчатовский институт»