Оценка плотности плазмы в воде на основе теории Келдыша при изменении длины волны накачки
https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-399-405
Аннотация
Введение. Исследование генерации плазмы в жидкостях актуально для многих областей применения. Главным образом данное исследование применяется для повышения эффективности генерации терагерцового излучения. В работе исследуется взаимосвязь между длиной волны лазерной накачки и плотностью плазмы для воды в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Метод. Методами численного моделирования, основанного на теории Келдыша, выполнен анализ закономерности изменений скорости ионизации и плотности плазмы от длины волны накачки. Основные результаты. Полученные результаты показали наличие взаимного влияния сверхпороговой ионизации и туннельных эффектов, преимущественно в случае, когда параметр Келдыша близок к единице. Показано снижение плотности плазмы при увеличении длины волны излучения накачки. Однако при этом было выявлено локальное увеличение плотности плазмы в определенных диапазонах длин волн. Обсуждение. Полученные теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными подобных научных работ. В результате теоретического исследования получена важная информация о модуляции плотности плазмы с помощью изменения длин волн лазерного возбуждения, что имеет значение для повышения эффективности генерации терагерцового излучения.
Ключевые слова
плазма,
теория Келдыша,
ионизация,
жидкость,
длина волны накачки,
генерация ТГц излучения из плазмы,
плотность плазмы
При поддержке: Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 2019-0903).
Об авторах
Ш. Хилал
Университет ИТМО
Россия
Россия
Хилал Ширин — аспирант
Санкт-Петербург, 197101
А. О. Исмагилов
Университет ИТМО
Россия
Россия
Исмагилов Азат Олфатович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
Санкт-Петербург, 197101
А. Н. Цыпкин
Университет ИТМО
Россия
Россия
Цыпкин Антон Николаевич — доктор физико-математических наук, доцент, старший научный руководитель
Санкт-Петербург, 197101
М. В. Мельник
Университет ИТМО
Россия
Россия
Мельник Максим Владимирович — кандидат физико-математических наук, доцент
Санкт-Петербург, 197101
Список литературы
1. Zhang Y., Li K., Zhao H. Intense terahertz radiation: generation and application. Frontiers of Optoelectronics, 2021, vol. 14, no. 1, pp. 4–36. https://doi.org/10.1007/s12200-020-1052-9
2. Leibov L., Ismagilov A., Zalipaev V., Nasedkin B., Grachev Y., Petrov N., Tcypkin A. Speckle patterns formed by broadband terahertz radiation and their applications for ghost imaging. Scientific Reports, 2021, vol. 11, no. 1, pp. 20071. https://doi.org/10.1038/s41598-02199508-1
3. Ponomareva E.A., Ismagilov A.O., Putilin S.E., Tsypkin A.N., Kozlov S.A., Zhang X. Varying pre-plasma properties to boost terahertz wave generation in liquids. Communications Physics, 2021, vol. 4, no. 1, pp. 4. https://doi.org/10.1038/s42005-020-00511-1
4. Vanraes P., Bogaerts A. Plasma physics of liquids — A focused review. Applied Physics Reviews, 2018, vol. 5, no. 3, pp. 031103. https://doi.org/10.1063/1.5020511
5. Ponomareva E., Ismagilov A., Putilin S., Tcypkin A.N. Plasma reflectivity behavior under strong subpicosecond excitation of liquids. APL Photonics. 2021, vol. 6, no. 12, pp. 126101. https://doi.org/10.1063/5.0070963
6. Yiwen E., Zhang X.-C. Terahertz generation from water under long wavelength excitation. Proc. of the 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMWTHz) , 2023, pp. 1–1. https://doi.org/10.1109/IRMMWTHz57677.2023.10298975
7. Ponomareva E.A. Wavelength dependence of plasma-based THz generation in liquids. Proc. of the 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2022, pp. 1–2. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz50927.2022.9896033
8. Clerici M., Peccianti M., Schmidt B.E., Caspani L., Shalaby M., Giguère M., Lotti A., Couairon A., Légaré F., Ozaki T., Faccio D., Morandotti R. Wavelength Scaling of terahertz generation by gas ionization. Physical Review Letters, 2013, vol. 110, no. 25, pp. 253901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.253901
9. Wang T.J., Ju J., Liu Y., Li R., Xu Z., Chin S.L. Waveform control of enhanced THz radiation from femtosecond laser filament in air. Applied Physics Letters, 2017, vol. 110, no. 22, pp. 221102. https://doi.org/10.1063/1.4984599
10. Wang T.J., Ju J., Wei Y., Li R., Xu Z., Chin S.L. Longitudinally resolved measurement of plasma density along femtosecond laser filament via terahertz spectroscopy. Applied Physics Letters, 2014, vol. 105, no. 5, pp. 051101. https://doi.org/10.1063/1.4892424
11. Nagar G.C., Dempsey D., Shim B. Wavelength scaling of electron collision time in plasma for strong field laser-matter interactions in solids. Communications Physics, 2021, vol. 4, no. 1, pp. 96. https://doi.org/10.1038/s42005-021-00600-9
12. Petrović V.M., Delibaśić H.S., Petrović I.D. Strong-field tunneling ionization rate based on landau–dykhne transition theory. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2021, vol. 133, no. 1, pp. 1–6. https://doi.org/10.1134/S1063776121060078
13. Nikolaeva I.A., Shipilo D.E., Panov N.A., Liu W., Savel’ev A.B., Kosareva O.G. Scaling law of THz yield from two-color femtosecond filament for fixed pump power. Photonics, 2022, vol. 9, no. 12, pp. 974. https://doi.org/10.3390/photonics9120974
14. Keldysh L. Ionization in the field of a strong electromagnetic wave. Soviet Physics – JETP, 1965, vol. 20, no. 5, pp. 1307–1314.
15. Gruzdev V.E. Laser-induced ionization of solids: back to Keldysh. Proceedings of SPIE , 2005, vol. 5647. https://doi.org/10.1117/12.578469
16. Bauer J.H. Keldysh theory re-examined. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2016, vol. 49, no. 14, pp. 145601. https://doi.org/10.1088/0953-4075/49/14/145601
17. Quan W., Lin Z., Wu M., Kang H., Liu H., Liu X., Chen J., Liu J., He X.T., Chen S.G., Xiong H., Guo L., Xu H., Fu Y., Cheng Y., Xu Z.Z. Classical aspects in above-threshold ionization with a midinfrared strong laser field. Physical Review Letters, 2009, vol. 103, no. 9, pp. 093001. https://doi.org/10.1103/physrevlett.103.093001
18. Amini K., Biegert J., Calegari F., Chacón A., Ciappina M.F., Dauphin A., Efimov D.K., de Morisson Faria C.F., Giergiel K., Gniewek P., Landsman A.S., Lesiuk M., Mandrysz M., Maxwell A.S., Moszyński R., Ortmann L., Pérez-Hernández J.A., Picón A., Pisanty E., Prauzner-Bechcicki J., Sacha K., Suárez N., Zaïr A., Zakrzewski J., Lewenstein M. Symphony on strong field approximation. Reports on Progress in Physics, 2019, vol. 82, no. 11, pp. 116001. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab2bb1
19. Wang R., Zhang Q., Li D., Xu S., Cao P., Zhou Y., Cao W., Lu P. Identification of tunneling and multiphoton ionization in intermediate Keldysh parameter regime. Optics Express, 2019, vol. 27, no. 5, pp. 6471–6482. https://doi.org/10.1364/OE.27.006471
20. Kennedy P.K. A first-order model for computation of laser-induced breakdown thresholds in ocular and aqueous media. I. Theory. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1995, vol. 31, no. 12, pp. 2241– 2249. https://doi.org/10.1109/3.477753
21. Noack J., Vogel A. Laser-induced plasma formation in water at nanosecond to femtosecond time scales: calculation of thresholds, absorption coefficients, and energy density. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, vol. 35, no. 8, pp. 1156–1167. https://doi.org/10.1109/3.777215
22. Parker J., Clark Ch.W. Study of a plane-wave final-state theory of above-threshold ionization and harmonic generation. Journal of the Optical Society of America B, 1996, vol. 13, no. 2, pp. 371–379. https://doi.org/10.1364/JOSAB.13.000371
Рецензия
Для цитирования:
Хилал Ш., Исмагилов А.О., Цыпкин А.Н., Мельник М.В. Оценка плотности плазмы в воде на основе теории Келдыша при изменении длины волны накачки. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024;24(3):399-405. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-399-405
For citation:
Hilal Sh., Ismagilov A.O., Tcypkin A.N., Melnik M.V. Insights from Keldysh theory to plasma electron density in liquid water under excitation wavelength scaling. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2024;24(3):399-405. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-399-405
Просмотров:
5
Послать статью по эл. почте 