CC BY
6Времяпролетный спектрометр для регистрации высокоэнергетических электронов при надпороговой ионизации аргона фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона
Романовский Я.О.1'2, Рожко М.В.1'2, Митрофанов А.В.1'3'4
1-Российский квантовый центр, ИЦ Сколково, Москва 2- Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва 3- Институт проблем лазерных и информационных технологий — филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Шатура 4- Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва
Е-mail: romanovskii.iol7@physics.msu.ru
DOI: 10.24412/с1-35673-2023-1-49-51
Исследование физических явлений при взаимодействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов с газовыми средами является актуальной задачей современной физики, решение которой даёт ключ к пониманию основополагающих, фундаментальных законов природы [1]. Особый интерес вызывает изучение механизмов ионизации в поле сверхкоротких лазерных импульсов среднего инфракрасного (ИК) диапазона. Величина пондеромоторной энергии электронов ир в лазерном поле является ключевой в теоретических расчётах как для ширины плато гармоник высокого порядка, так и для максимальных энергий фотоэлектронов, рассеянных на ионах в лазерном поле. Возможности продвижения в этом направлении связаны с законами масштабирования, зависимость ир от интенсивности и квадрата длины волны используемого излучения определяет ширину плато для энергий электронов фотоионизации. Использование лазерной системы среднего ИК диапазона в сравнении с источниками в ближнем ИК позволяет существенно расширить диапазон энергий фотоэлектронов ионизации вплоть до нескольких килоэлектронвольт. Исследования надпороговой ионизации и электронной динамики в ИК диапазоне проводилось в работах [2, 3]. В среднем ИК диапазоне на длине волны 3,6 мкм в аргоне максимальная энергия зарегистрированных электронов составила 1 кэВ [4]. Регистрация электронов с энергиями несколько сотен эВ и более ограничена энергетическим разрешением спектрометров. Целью данной работы является моделирование, оптимизация и сборка
_ ггЖЙК^аКЙ ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
-ПрохоровеКИЕ НЕДЕЛИ-
времяпролетного спектрометра для исследования
высокоэнергетических электронов, генерируемых при ионизации аргона в поле фемтосекундных лазерных импульсов среднего ИК
Рис. 1. Схема эксперимента. Л - фокусирующая линза, ВК1 и ВК2 - соединенные трубой вакуумные камеры, О - входное окно вакуумной
камеры, Щ - щель, С - металлическая сетка, TOF - времяпролетный спектрометр, МКП - микроканальная пластина, Це - напряжение, подаваемое высоковольтным источником питания.
Спектрометр и схема эксперимента представлены на рис. 1. Лазерное излучение (3,9 мкм, 80 фс) фокусируется линзой в струе аргона в вакуумной камере. Энергия электронов ионизации анализируется смоделированным времяпролетным спектрометром. Данный спектрометр состоит из внутренней трубы (длиной 0,5 м) и трёх металлических сеток. Перед трубой устанавливалась щель размером порядка 400 мкм. Первая сетка, находящаяся сразу после источника электронов и входной апертуры, заземлена. Общее задерживающее отрицательное напряжение Це подаётся на внутреннюю трубу и пару металлических сеток на её входе и выходе, тем самым позволяя замедлять высокоэнергетические электроны в самом начале спектрометра перед пролётом в однородном поле для увеличения энергетического разрешения.
Для компенсации потерь электронов после замедления в электростатическом поле на времяпролётную трубу намотан соленоид для генерации однородного магнитного поля внутри трубы и увеличения количества регистрируемых электронов. Электроны, попадая в трубу, направляются вдоль линий однородного магнитного поля навстречу детектору. Для экранирования внешних магнитных полей используется слой пермаллоя. Электроны детектируются
находящейся во второй вакуумной камере микроканальной пластиной, сигнал с которой обрабатывается осциллографом.
Моделирование работы спектрометра в программе COMSOL позволило симулировать пролёт электронов высоких энергий в различных электростатических полях Це и магнитном поле соленоида для сопоставления исходных энергий электронов с временем пролёта. Пример оптимизации траекторий электронов с энергиями 1,1-1,5 кэВ в электрическом поле —1 кВ без магнитного поля и в магнитном поле 0,5 мТл показан на рис. 2 (а, б), спектр смоделированного сигнала показан на рис. 2 (в).
В результате работ был смоделирован и оптимизирован времяпролётный спектрометр, способный регистрировать электроны с энергиями больше 1 кэВ с использованием тормозящего электрического поля для повышения спектрального разрешения.
Рис. 2. Траектории электронов с начальными энергиями 1100-1500 эВ в поле задерживающего потенциала —1 кВ без магнитного поля (а) и с полем соленоида 0,5 мТл (б); спектр смоделированного сигнала (в) (синий - исходный спектр, красный - зарегистрированный).
Авторы выражают благодарность научному руководителю, к.ф.- м.н. Сидорову-Бирюкову Д.А. и руководителю лаборатории д.ф.-м.н. Желтикову А.М. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов. Работа поддержана грантом РНФ 22-22-00955. Романовский Я.О. является стипендиатом Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
1. Желтиков А.М. Успехи физических наук. 2017. 187(11). 1169-1204.
2. Quan W., Lin Z., Wu M., et al. Phys. Rev. Lett. 2009. 103(9). 093001.
3. Liu M., Songpo X., Shilin H., et al. Optica. 2021. 8(6). 765-770.
4. Colosimo P., Doumy G., Blaga C.I., et al. Nat. Physics. 2008. 4(5). 386389.
