Estudo de processos foto-induzidos/foto-estimulados em solidos submetidos a campos intensos de radiação

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DATA DE PUBLICAÇÃO

1990

RESUMO

O estudo de efeitos de campos eletromagnéticos intensos (Iasers) sobre propriedades ópticas, térmicas e eletrônicas de materiais está hoje na ordem do dia. O contínuo desenvolvimento da técnica levou ao advento recente de pulsos lasers com altas concentrações de energia radiante e duração de alguns femtosegundos, levando a que já se fale hoje em potências de 1018 Watt/cm2, até pouco tempo absolutamente inconcebíveis. Intensidades bem mais "modestas", de Giga a TeraWatts/cm2, estão se tornando lugar-comum nos Laboratórios de Estudos de Fenômenos Ultra-rápidos. Esta tese aborda duas importantes questões no domínio dos fenômenos foto-induzidos e foto-estimulados, ultra-rápidos, excitados pela exposição de superfícies metálicas à ação de pulsos de laser IV com duração de pico e sub-picosegundos. Trata-se, especificamente, dos fenômenos de efeito fotoelétrico não-linear e da geração de profundos desequilíbrios térmicos entre elétrons e a rede, num metal, e suas conseqüências experimentais. A geração de temperaturas eletrônicas muito maiores que a temperatura da rede tem sido alvo de intensa investigação nos últimos anos, em particular após o advento de lasers pulsando em regimes de duração de pico e sub-picosegundos. Tornou-se assim, possível excitar e testar fenômenos transientes que ocorrem em tempos inferiores ao tempo de relaxação energética entre elétrons e fonons. Logo surgiram fortes indicações experimentais do estabelecimento de profundas diferenças de temperatura (centenas a milhares de graus) entre elétrons e a rede. Nosso trabalho focalizou a discussão das características principais da emissão térmica anômala de luz por alvos metálicos bombardeados com pulsos de laser IV ultracurtos. Desenvolvemos um sistema de computação numérica dos perfis de temperatura para elétrons (Te) e íons (Ti) usando um modelo de balanço energético baseado na equação de transferência de calor a 1-d com acoplamento entre Te e Ti. Discute-se o desequilíbrio térmico e sua conexão com a emissão anômala (corpo negro) .Do ponto de vista experimental o problema foi, igualmente, atacado. Em nossas experiências, alvos de ouro foram submetidos à trens de pulsos com 500 ns de duração, compostos por pulsos de largura individual de 20 ps, separados entre si por » 25 ns. Nossos resultados experimentais, expressos em estudos da dependência da intensidade da emissão anômala na intensidade do laser mostraram-se em muito boa concordância com nossa modelização teórica tanto para o desequilíbrio térmico eletron-rede como para o caráter não-inercial, corpo-negro, da emissão anômala. Abordamos, também, o problema da emissão puramente fotoelétrica não-linear por superfícies metálicas expostas a pulsos intensos de um laser IV. Fenômeno de certa forma complementar ao abordado anteriormente, a emissão não-linear divide com a emissão termoiônica assistida a laser a composição da corrente fotoelétrica observada. Nossa formulação descreve o efeito considerando-o como resultante do tunelamento dinâmico de elétrons através da barreira de potencial metal-vácuo modificada pela presença do laser intenso. Um método não-perturbativo foi desenvolvido explorando o formalismo de transformações unitárias (em particular a translação espacial) para incorporar os efeitos do campo de laser intenso sobre a permeabilidade da superfície aos elétrons que com ela colidem, considerados como formando um gás de elétrons livres de Sommerfeld no metal. A aproximação WKB foi usada para computar a probabilidade de transição pela barreira modificada e assim pode-se calcular a carga e a corrente fotoelétrica média. Como caso específico calculamos a emissão fotoelétrica não-linear para um alvo de ouro (f = 4,7 eV, EF = 5,5 eV) bombardeado com pulsos de 2 ns, I = 0,2 a 1,0 GWatt/cm2 de um laser de CO2 (l = 10,6mm). Os resultados revelaram uma excelente concordância com dados experimentais disponíveis na literatura. Eles são consistentes com uma ordem de não-linearidade para o efeito bem menor do que se antecipava [n ~ 2 ao invés de n ~ 40 que resultaria de considerarmos (f / Efoton) » 4,7/0,12) ~ 40] e, também com um rebaixamento dinâmico da barreira de potencial, induzido pelo laser para um valor efetivo f ~ 0,2 eV

ASSUNTO(S)

lasers ondas eletromagneticas

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