Resonance excitation and frequency up-conversion of plasma oscillations upon the optical breakdown of a thin film

Abstract

We study the spatiotemporal evolution of the field and plasma during the optical breakdown process induced by p-polarized laser radiation in a thin gaseous layer. The computer simulation of the process based on the solution of the vector wave equation for the slow time-varying field amplitude and the known expression for the tunnel ionization rate is carried out with taking into account the spatial dispersion caused by the thermal motion of electrons. It is found that generation of the plasma waves during the transition through the plasma resonance points in the layer affects strongly the dynamics of breakdown process and the spectrum of reflected and transmitted radiation.

Исследуется пространственно-временная эволюция поля и плазмы в процессе оптического пробоя тонкой газовой пленки p-поляризованным лазерным излучением. Исходная система уравнений включает в себя векторное волновое уравнение для медленной временной огибающей поля, материальное уравнение для плотности тока, учитывающее пространственную дисперсию, и выражение для скорости туннельной ионизации атомов газа. Проведенное компьютерное моделирование показало, что эффект генерации собственных плазменных колебаний в процессе перехода плотности плазмы через точку плазменного резонанса сильно влияет на динамику процесса пробоя и спектры отраженного и прошедшего через плазменный слой излучения.

Ми вивчаємо просторово-часову еволюцію поля та плазми у процесі оптичного пробою, що індукований лазерним випромінюванням з p-поляризацією у тонкому газовому шарі. Комп’ютерне моделювання процесу засновано на розв’язанні векторного хвилевого рівняння для амплітуд поля, які повільно змінюються, та відомих виразів для швидкості тунельної іонізації, що проведено з урахуванням просторової дисперсії, яка викликана тепловим рухом електронів. Знайдено, що генерація плазмових хвиль протягом проходження через точки плазмового резонансу у шарі сильно впливає на динаміку процесу пробою та спектр відбитого та проникного випромінювання.