Багатофотонна іонізація атомів лужноземельних елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Інститут фізики

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

01.04.05 - Оптика, лазерна фізика

Багатофотонна іонізація атомів лужноземельних елементів

Суран Василь Васильович

Київ 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Ужгородському державному університеті, Міністерство освіти України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, Ужгородський державний університет, завідувач кафедрою квантової електроніки Шимон Людвік Людвікович,

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник Яценко Леонід Петрович,

доктор фізико-математичних наук, професор, Київський університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедрою фізичної електроніки Чутов Юрій Іванович,

доктор фізико-математичних наук, професор, Сумський державний університет, декан механіко-математичного факультету Рощупкін Сергій Павлович

Провідна установа: Інститут фізичної оптики Міністерства освіти України, м. Львів.

Захист відбудеться 23 вересня 1999 р. о 1430 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252650 МСП, Київ-22, проспект Науки, 46.

З дисертаціїю можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України, (м. Київ, проспект Науки, 46.).

Автореферат розіслано 20 липня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Іщук В.А.

1. Загальна характеристика роботи

багатофотонний іонізація атом лужноземельний

Актуальність теми. В дисертаційній роботі приводяться результати спектроскопічних досліджень багатофотонних процесів, які мають місце при елементарних актах взаємодії лазерного випромінювання з атомами. Для цих досліджень використовувався метод іонізаційної спектроскопії.

Дослідження процесів взаємодії інтенсивного лазерного випромінювання з атомами є частиною фізики взаємодії цього випромінювання з речовиною. При взаємодії лазерного випромінювання з атомами, поряд з реалізацією інших процесів, можуть також реалізуватися процеси багатофотонного збудження та багатофотонної іонізації атомів, який приводить до утворення одно- та багатозарядних іонів. Дослідження багатофотонних процесів в полі лазерного випромінювання розпочалися в середині 60-тих років і подальший розвиток цих досліджень стимулюється розвитком лазерної техніки, а саме: отриманням лазерної генерації в різних та широких областях спектра із досягненням при цьому великих інтенсивностей лазерного випромінювання та скороченням тривалості лазерних імпульсів.

До початку дослiджень процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв, якi були започаткованi нами, основними об'єктами дослiджень були атоми лужних металiв та iнертних газiв. До цього часу в науковiй лiтературi були вiдсутнi експериментальнi данi про закономiрностi та особливостi багатофотонного збудження одно та двоелектронних (синглетних та триплетних) зв'язаних рівнів, рідбергівських рівнів (РР), а також автоiонiзацiйних рiвнiв (АIР) атомiв лужноземельних та iнших елементiв в рiзних спектральних областях i при рiзнiй поляризацiї лазерного випромiнювання, а також данi про прояв кореляцiй двох електронiв при багатофотонних процесах. Були відсутні також дані про фізичні процеси, які можуть реалізуватися при утворенні однозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних елементів. Зовсiм не були розробленi i теоретичнi методи розрахункiв процесiв багатофотонного збудження вiдмiчених вище рiвнiв, процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв. Взагалi були вiдсутнi данi про таку атомну константу, як ефективний перерiз багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв.

В дослiдженнях процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв нами вперше був виявлений ефект утворення двозарядних iонiв при багатофотоннiй iонiзацiї атомiв лазерним випромiнюванням. Цей ефект був виявлений в дослідженнях з використанням фiксованої частоти лазерного випромiнювання (=9430 см1). До початку проведення дослiджень, результати яких приведенi в дисертацiйнiй роботi, в науковiй лiтературi були вiдсутнi експериментальнi та теоретичнi данi про закономiрностi та особливостi утворення двозарядних iонiв при багатофотонній іонзації атомiв лужноземельних та iнших елементiв в рiзних спектральних областях i при рiзнiй поляризацiї лазерного випромiнювання, про роль кореляцiй двох електронiв при утвореннi цих iонiв, а також данi про механiзм їх утворення. Були відсутні також дані про фізичні процеси, які можуть реалізуватися при утворенні двозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних та інших елементів.

Наведені вище факти і зумовлюють актуальність проведення досліджень по темі дисертаційної роботи. Актуальність теми досліджень зумовлена ще й можливістю практичного використання результатів цих досліджень, наприклад, в мас-спектрометрії, при розробці нових типів лазерів і т. д. (див. пункт практичне значення одержаних результатів).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослiдження процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв проводилися згiдно ряду програм:

1. Академiї наук СРСР "Исследование фундаментальных проблем взаимодействия лазерного излучения с веществом" (при виконаннi господарських договорiв з Iнститутом загальної фiзики АН СРСР м. Москва на протязi 19811989 рр; номера держ. реєстрацiї 0182.2057083, 01.84.0019513, 0186.0096089, 0189.0096089);

2. Мiнiстерства вищої освiти СРСР "Взаимодействие потоков єнергии с веществом" (19891992 рр; номер держ. реєстрацiї 01.890086809);

3. ДКНТ України "Новi перспективнi технологiї" (1992-1993рр; номер держ. реєстрацiї 0194U004810); "Електроннi переходи як джерела оптичного випромiнювання" (1993-1994 рр; номер держ. реєстрацiї 0194U004811);

4. Мiнiстерства вищої освiти України "Лазернi системи" (1991-1993 рр; номер держ. реєстрацiї 01.910024671); "Новi речовини та матерiали" (1992-1994 рр; номер держ. реєстрацiї 0193U019668)

5. Мiнiстерства освiти України "Новi речовини та матерiали" (1994-1996 рр; номер держ. реєстрацiї 0194U038504); "Новi речовини та матерiали" (1997-1999 рр).

Мета i задачi дослiдження. Мета дослiджень полягала у:

- втановленні фізичних процесів, які мають місце при утворенні одно- та двозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних елементів;

виявленнi ролi резонансних та нерезонансних процесiв при утвореннi двозарядних iонiв при багатофотоннiй iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв; встановленнi закономiрностей, особливостей та механiзму утворення цих iонiв в рiзних спектральних областях при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання;

встановленнi закономiрностей та особливостей багатофотонного збудження одно та двоелектронних (синглетних та триплетних) зв'язаних та рiдбергiвських рiвнiв, а також АIР на прикладi атомiв лужноземельних елементiв в рiзних спектральних областях при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання;

визначеннi ефективних перерiзiв багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв атомiв лужноземельних елементiв;

проведеннi розрахункiв вiдношення мiж виходами одно та двозарядних iонiв для випадку реалiзацiї каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв атомiв лужноземельних елементiв.

Задачi дослiджень полягали у:

розробцi методiв дослiдження процесiв утворення одно та двозарядних iонiв при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання та проведення дослiджень згiдно цих методiв;

розробцi методу вимiрiв ефективних перерiзiв багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв та проведеннi вимiрiв перерiзiв згiдно цього методу;

розробцi методу розрахунку вiдношення мiж виходами однозарядних (N+) та двозарядних (N2+) iонiв для випадку реалiзацiї каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв; в проведеннi розрахункiв згiдно цього методу, а також в порiвняннi розрахункiв з тим вiдношенням виходiв цих iонiв, яке спотерiгається в експериментi.

створеннi стабiльних по енергiї та потужних лазерiв на неодимовому склi, на iтрiйалюмiнiєвому гранатi та на барвниках, що генерують випромiнювання на однiй поперечнiй модi, які давали б достовірні результати в дослідженнях багатофотонних процесів.

Наукова новизна одержаних результатiв полягає в слідуючому:

1. Вперше проведено детальні дослідження процесу утворення двозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних елементів в широкій області спектра та вияснено механізм утворення цих іонів. Для проведення цих досліджень було розроблено та реалізовано два методи:

А. Метод вимірювання залежностей виходiв однозарядних та двозарядних iонiв вiд частоти лазерного випромiнювання (N+ та N2+) при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї, при фiксованiй величинi напруженостi поля лазерного випромiнювання та з абсолютизацiєю вiдношення мiж виходами цих iонiв. Цей метод використовувався для виявлення та дослідження резонансних процесів утворення двозарядних іонів.

Б. Метод вимірювання залежностей виходів одно та двозарядних іонів від інтенсивності (F) лазерного випромiнювання (lgN+(lgF)) та (lgN2+(lgF)) при рiзних фiксованих частотах та з абсолютизацiєю вiдношення виходiв цих іонів. Цей метод використовувався для проведення досліджень в області частот, в яких резонансні процеси утворення двозарядних іонів не реалізуються.

При використанні першого методу проведено дослідження резонансних процесів утворення іонів Ca2+, Sr2+та Ba2+ у видимій (15000-19000 см-1) та іонів Sr2+та Ba2+ в інфрачервоній (9390-9500 см-1) областях спектра. Виявлено, що у видимій області спектра, в основному, реалізується каскадний механізм утворення двозарядних іонів, а в інфрачервоній області спектра реалізується двоелектронний механізм утворення цих іонів.

При використанні другого методу проведено дослідження нерезонансних процесів утворення іонів Sr2+та Ba2+ у видимій (18780-19000 см-1) та інфрачервоній (9390-9500 см-1) областях спектра. При цьому також виявлено, що у видимій області спектра реалізується каскадний механізм утворення двозарядних іонів (причому, в залежності від інтенсивності лазерного випромінювання реалізується процес іонізації однозарядних іонів із різних станів), а в інфрачервоній області спектра- двоелектронний механізм утворення цих іонів.

2. Вперше розроблено методику розрахункiв вiдношення мiж виходами одно та двозарядних iонiв для випадку реалiзацiї каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв. Проведено розрахунки вiдношення виходiв мiж одно та двозарядними iонами, якi вказують на те, що i в мiжрезонансних промiжках залежностей N2+, які виміряні в дiапазонi частот 1500019000 см1 також реалiзується каскадний механiзм утворення двозарядних iонiв кальцiю, стронцiю та барiю.

3. Вперше розроблено простий метод вимiрювання ефективних перерiзiв багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв. Вимiряно ефективнi перерiзи п'ятифотонної iонiзацiї iонiв Sr+ та чотири і п'ятифотонної іонізації іонів Ва+ в області спектра 1878018940 см1. По порядку величини вони спiвпадають мiж собою та для атомiв, коли степенi нелiнiйностi iонiзацiї однаковi.

4. Вперше запропоновано та реалiзовано метод дослiдження залежностей N+ для однозарядних iонiв в умовах вiдсутностi насичення процесу утворення цих iонiв при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї випромiнювання i при рiзних фiксованих величинах напруженостi поля випромiнювання. Детально дослiджено процес багатофотонної іонізації атомів магнiю, кальцiю, стронцiю та барiю в широкiй областi спектра (атомiв Ва в дiапазонi частот 1480020900 см1, атомів Са та Sr в дiапазонi 1480019000 см1 та атомiв Mg в дiапазонi 1630018100 см1). При цьому виявлено:

"вiкно прозоростi" (резонансний мiнiмум), яке має місце при трифотоннiй iонiзацiї атомiв атомів Sr в околi частоти 17100 см-1 при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання. Воно зумовлено особливiстю трифотонного збудження АIР, коли параметр Фано q0.

ефект гiперкомбнацiйного розсiювання лазерного випромiнювання в атомах Ва, який приводить до утворення цих атомiв в збуджених станах.

велику iмовiрнiсть двофотонного збудження синглетних та триплетних двоелектронних зв'язаних рiвнiв в атомах Sr та Ва. Iмовiрнiсть збудження цих рiвнiв є порiвняною із iмовiрнiстю збудження синглетних одноелектронних зв'язаних рiвнiв.

- велику імовірність двофотонного збудження триплетних одноелектронних зв'язаних рівнів в атомах Са, Sr та Ва лише в тих випадках, коли ці рівні збурюються двоелектронними зв'язаними рівнями. У випадку, коли ці триплетні рівні не збурюються двоелектронними рівнями, імовірність збудження їх є невеликою.

аномально малу iмовiрнiсть процесу трифотонного збудження триплетних одноелектронних рiдбергiвських рiвнiв в атомах Са та Sr (збудження цих рiвнiв не проявляється в залежностях N+ для iонiв Ca+ та Sr+), що зумовлено вiдсутнiстю збурення цих рiвнiв двоелектронними рiвнями та реалiзацiєю LS зв'язку в атомах.

збiльшення iмовiрностi двофотонного збудження синглетних одноелектронних РР в атомах Ва в результатi збурення цих рiвнiв двоелектронним зв'язаним рiвнем.

Вперше детально дослiджено процес багатофотонного збудження АIР. Виявлено, що:

в бiльшостi випадкiв амплітуди максимумів, які зумовлені трифотонним збудженням АIР в атомах Са, Sr та Ва є значно меншими вiд амплітуд максимумів зумовлених двофотонним збудженням зв'язаних рiвнiв в цих атомах.

лише в атомах Sr iмовiрнiсть трифотонного збудження деяких АIР має велику величину. Велика iмовiрнiсть збудження цих АIР зумовлена тим, що вони мають малу ширину, яка є порiвняною з шириною зв'язаних рiвнiв, а також великою величиною відповідного складеного матричного елемента збудження цих рівнів.

в багатьох випадках не проявляється процес трифотонного збудження вiдомих АIР в атомах Са, Sr та Ва, що зумовлено малою величиною відповідного складеного матричного елемента збудження цих рівнів великою їх шириною та сильним збуренням їх в полi лазерного випромiнювання.

Виявлено рід невідомих АІР атомів Са, Sr та Ва. Визначено енергії цих рівнів та їх повні моменти.

6. Вперше детально дослiджено процес утворення однозарядних iонiв кальцiю, стронцiю та барiю в областi спектра 93909480 см1. При цьому виявлено:

велику iмовiрнiсть чотирифотонного збудження двоелектронного зв'язаного 5d6d 1D2 рiвня атому Ва.

аномально малу iмовiрнiсть чотирифотонного збудження триплетного 4s4d 3D2 рiвня, а також п'ятифотонного збудження одноелектронних (синглетних та триплетних) рiдбергiвських рiвнiв атомів Са (збудження цих рiвнiв не проявляється в залежностi N+).

Отримані в дисертації результати стали основою для слідуючих напрямків наукових досліджень:

1) дослідження процесу утворення дво- та багатозарядних іонів при нелінійній іонізації атомів в полі лазерного випромінювання;

2) дослідженння процесу утворення однозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів, які мають складний спектр;

3) вимірювання ефективних перерізів багатофотонної іонізації однозарядних іонів.

Основні наукові положення полягають у слідуючому:

1. Процес утворення двозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних елементів має резонансну структуру. У видимій області спектра ця резонансна структура, в основному, зумовлена спектром однозарядних іонів, а в інфрачервоній області зумовлена спектром нейтральних атомів.

2. Механізм утворення двозарядних іонів у видимій області спектра, в основному, є каскадним. Двозарядні іони в цьому випадку утворюються внаслідок багатофотонної іонізації однозарядних іонів як із основного стану, так і із перших збуджених метастабільного та резонансного станів.

3. Механізм утворення двозарядних іонів в інфрачервоній області спектра є двоелектронним. Двозарядні іони в цьому випадку утворюються внаслідок багатофотонної іонізації нейтральних атомів.

4. Ефективні перерізи багатофотонної іонізації іонів Sr+ та Ba+ по порядку величини співпадають між собою та з ефективними перерізами іонізації атомів, степені нелінійності іонізації яких такі ж самі.

5. При утворенні однозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів лужноземельних елементів у видимій області спектра проявляються такі ефекти:

а) надпорогове поглинання квантів. В результаті прояву цього ефекта однозарядні іони з великою ефективністю утворюються в збуджених метастабільному та резонансному станах;

б) гіперкомбінаційне розсіювання світла. Реалізація цього ефекту приводить до того, що атоми Ва утворюються в збуджених станах;

в) "вікно прозорості". Реалізація цього ефекту приводить до різкого зменшення імовірності трифотонної іонізації атомів Sr. Цей ефект зумовлений трифотонним збудженням автоіонізаційного рівня, коли параметр Фано q0.

6. Імовірність заборонених синглет-триплетних двофотонних переходів має аномально велику величину, яка є порівняною з імовірністю синглет-синглетних двофотонних переходів. Цей факт вказує на порушення LS- зв'язку для відповідних рівнів.

7. Вплив збудження різних зв'язаних рівнів на процес багатофотонної іонізації досліджуваних атомів залежить від числа К поглинутих фотонів. З найбільшою ефективністю провляється збудження зв'язаних рівнів при поглинанні двох фотонів (К=2). Із збільшенням числа К ефективність прояву збудження цих рівнів, як правило, зменшується.

8. Найбільший вплив збудження автоіонізаційних рівнів на процес трифотонної іонізації досліджуваних атомів має місце лише у випадках, коли ці рівні мають малу ширину, слабо збурюються в полі лазерного випромінювання та коли відповідні складені матричні елементи мають велику величину.

Достовiрнiсть та обгрунтованiсть отриманих результатiв забезпечується проведенням дослiджень в таких умовах, коли реалiзуються умови iзольованого атома, а також, коли не реалізуються рiзного типу конкуруючі ефекти, якi б могли спотворювати результати дослiджень. Про достовiрнiсть отриманих результатiв свiдчить також їх вiдтворюванiсть та добре спiвпадiння з ними результатiв отриманих iншими дослiдниками.

Практичне значення одержаних результатiв. На основi аналiзу результатів фундаментальних дослiджень процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв лужноземельних елементiв пропонуються слiдуючi рекомендацiї:

по створенню iнверсiї на iонних рівнях, при багатофотоннiй iонiзацiї атомiв;

по використанню резонансних процесiв для створення резонансноiонiзацiйного масспектрометра;

по використанню резонансних процесiв для спектроскопiї атомних зв'язаних рівнів та АIР;

по використанню резонансних та нерезонансних процесiв для створення ефективного iмпульсного джерела одно або двозарядних iонiв.

Проведенi дослiдження процесу утворення одно та двозарядних iонiв лужноземельних атомiв стимулюють розвиток нових теоретичних методiв розрахункiв різних характеристик процесів взаємодiї потужного лазерного випромiнювання з атомами, в яких поряд з одноелектронними процесами враховувалися б двоелектроннi процеси.

Результати дослiджень впровадженi при проведеннi дослiджень по темам АН СРСР, якi виконувались в Iнститутi загальної фiзики АН СРСР, у Закарпатському вiддiленнi науково дослiдного центру державного НДI "Система" та в учбовий процес при читаннi лекцiй по взаємодiї лазерного випромiнювання з атомами.

Особистий внесок здобувача полягає в слідуючому:

1. На основi аналiзу лiтературних даних сформульованi тема, мета роботи та її основнi завдання.

2. Сконструйована та виготовлена сучасна експериментальна установка, на якiй були проведенi дослiдження.

3. Запропонованi, обгрунтованi та реалiзованi всi методи дослiджень.

4. Належить провiдна роль в пiдготовцi та проведенi експериментiв, а також в обробцi, аналiзi та iнтерпретацiї результатiв дослiджень.

5. Належить провiдна роль в написаннi статей та iнших друкованих матерiалiв, а ряд статей та iнших друкованих матерiалiв написанi особисто.

6. Виступав з доповiдями на бiльшостi Всесоюзних та на деяких Мiжнародних конференцiях по тематиці досліджень.

Апробацiя результатiв дисертацiї. Результати дослiджень, що приводяться в дисертацiйнiй роботi, доповiдалися в запрошених доповiдях на:

1) II International conference on multiphoton processes, (Budapest, 1980);

2) X Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Київ, 1980р.);

3) IX International school on coherent optics (Uzhgorod, 1989);

4) X Вавiловськiй конференцiї по нелiнiйнiй оптицi (Новосибiрськ, 1990р.).

Результати дослiджень також доповiдалися та обговорювалися на:

1) IX Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Ленiнград, 1978р.); 2) IV European conference on atomic and molecular physics (Riga, 1978); 3)II International conferenc on multiphoton processes, (Budapest, 1980); 4) VIII Всесоюзнiй конференцiї по фiзiцi електронатомних зiткненях (Ленiнград, 1981р); 5) X Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Київ, 1980р.); 6) IV International conference on lasers and their application (Leipzig, 1981); 7) XIX Всесоюзному з'їздi по спектроскопiї (Томськ, 1983р.); 8) IX Всесоюзнiй конференцiї по фiзiцi електронатомних зiткненях (Ленiнград, 1981р.); 9) Всесоюзних семiнарах "Багатофотоннi процеси в атомах та молекулах" (Ужгород 19801989рр.); 10) XII Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Москва, 1985р.); 11) IV International conference on lasers technology and applications (Quebec,1986); 12) IX Вавiловськiй конференцiї по нелiнiйнiй оптицi (Новосибiрськ, 1987р.); 13) Всесоюзному семiнарi "Процеси iонiзацiї з участю збуджених атомiв" (Ленiнград, 1988р.); 14) XX Всесоюзному з'їздi по спектроскопiї (Київ, 1988р.); 15) XIII Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Мiнск, 1988р.); 16) Всесоюзному семiнарi "Теорiя атомiв та атомних спектрiв" (Тбiлiсi, 1988р.); 17) X Всесоюзнiй конференцiї по фiзiцi електронатомних зiткненях (Ужгород, 1988р.); 18) V International conference on multiphoton processes (Paris, 1990); 19) Всесоюзному семiнарi "Автоiонiзацiйнi явища в атомах" (Москва, 1990р.); 20) International school on coherent optics (Uzhgorod, 1989), XIV Всесоюзнiй коференцiї по когерентнiй та нелiнiйнi оптицi (Ленiнград, 1991р.); 21) XI Всесоюзнiй конференцiї по теорiї атомiв та атомних спектрiв (Суздаль, 1991р.); 22) XI Всесоюзнiй конференцiї по фiзiцi електронатомних зiткненях (Чебоксари, 1991р.); 23) IX European conference on atomic and molecular phyics (Riga, 1992); 24) III Всесоюзному семiнарi по атомнiй спектроскрпiї (Черноголовка, 1992р.); 25) International conference of laser optics (St.Peterburg, 1993); 26) XVII International conference physics electronics and atomic collisions (Aarhus, 1993); 27) VI International conference on multiphoton processes (Quebek, 1993); 28) European quantum electronics conference (Amsterdam, 1994); 29) International conference nonlinear optics (St.Peterburg, 1995); 30) V European conference on atomic and molecular physics (Edinburgh, 1995); 31) XIX International conference physics electronics and atomic collisions (Quebec, 1995); 32) European quantum electronics conference (Hamburg, 1996); 33) XIX International conference physics electronic and atomic collisions (Quebec, 1995); 35) Мiжнародна наукова конференцiя присвячена 150рiччю Iвана Пулюя (Львiв 1995); 35) XX International quantum electronics conference (Sydney, 1996); 36) VII International conference on multiphoton processes (GarmischPartenkirchen, 1996); 37) XX International conference physics electronics and atomic collisions (Vienna, 1997); 38) Atomic and molecular data and their application (Gaithersburg, 1997); 39) European quantum electronics conferen (Glasgow, 1998); 40) VI European conference on atomic and molecular physics (Siena, 1998); 41) VII International Workshop on laser physics (Berlin 1998).

Публiкацiї. Основнi результати дисертацiйної роботи опублiкованi в 69 публiкацiях. Iз них: 22 статтi (в тому числi 5 одноосiбних) в наукових журналах; 7 статей (в тому числi 1 одноосiбна) є складовими частинами трьох книг, якi опублiкованi за кордоном; 6 статей (в тому числi 1 одноосiбна) в збiрниках наукових праць виданих Науковою радою по спектроскопії АН СРСР; 5 препринтiв та 29 тезiв в матерiалах конференцiй.

Структура та обсяг дисертацiї. Дисертацiйна робота складається iз вступу, семи роздiлiв, висновкiв i списка використаних джерел, що мiстить 171 найменувань на 20 сторiнках. Повний обсяг дисертацiйної роботи складає 400 сторiнок; приведено 60 рисункiв (60 сторiнок) та 29 таблиць (41 сторiнка).

2. Основний змiст роботи

У вступi обгрунтованi актуальнiсть теми дослiджень, визначенi мета i задачi дослiджень, вказані наукова новизна та практичне значення одержаних результатiв, приведено iнформацiю про апробацiю роботи та особистий внесок здобувача.

Перший розділ присвячений опису експериментальної установки та аналізу конкуруючих ефектів, які можуть мати місце при взаємодії потужного лазерного випромінювання з атомами.

Основними вузлами установки є джерело лазерного випромінювання з системою контролю параметрів цього випромінювання (енергії в лазерному імпульсі, тривалості імпульсу лазерного випромінювання та частоти цього випромінювання), вакуумна камера, в якій знаходяться джерело атомного пучка та часо-пролітний мас-спектрометр, та система реєстрації іонних імпульсів. Для проведення досліджень процесу багатофотонної іонізації атомів лужноземельних елементів був вибраний метод пересічення пучків атомів та лазерного випромінювання. Лазерне випромінювання фокусувалось в центр атомного пучка. Концентрація атомів і зоні пересічення пучків становила n=1010 1011 см--3. Іони із області фокусування лазерного випромінювання витягувались за допомогою постійного електричного поля, розділялись в часо-пролітному мас-спектрометрі по масі або заряду і реєструвались за допомогою вторинного електронного помножувача ВЕП-1. Імпульси з ВЕП, які відповідають пакету іонів певної маси або заряду, підсилювались за допомогою підсилювача та аналізувались запам'ятовуючим осцилографом.

В дослідженнях використовувались різні типи лазерів: неодимовий лазер із змінною частотою випромінювання ( =9390-9500 см-1), друга гармоніка цього випромінювання, лазер на ітрій-алюмінієвому гранаті (ІАГ), різного типу лазери на барвниках із загальним діапазоном зміни частоти 14800-20900 см-1. Всі ці лазери працювали в режимі генерації однієї поперечної моди. В діапазоні частот 14800-19000 см-1 ширина спектра лазерного випромінювання становила 2-3 см-1, а в діапазоні частот 18700-20900 см-1 - 1-1,3 см-1. Точність визначення частоти лазерного випрмінювання становила -1,5см-1, а ширини спектра- 0,2 см-1.

Проведений аналіз показав, що в наших дослідженнях при максимальних величинах напруженості поля лазерного випромінювання (=107 В/см) та концентрації атомів, електрони за рахунок ефекту Комптона та оберненого гальмівного ефекту не можуть придбати енергію достатню для іонізації досліджуваних атомів і тому інізація цих атомів здійснюється безпосередньо полем лазерного випромінювання.

В другому роздiлi розглянутi механiзми утворення двозарядних iонiв та розробленi методики для дослiджень процесу утворення одно- та двозарядних iонiв при багатофотоннiй iонiзацiї атомiв. Нами були запропонованi два можливих механiзми утворення двозарядних iонiв: каскадний (коли утворення цих iонiв проходить в результатi iонiзацiї однозарядних iонiв) та двоелектронний (коли утворення цих iонiв проходить в результатi одночасного вiдриву вiд атома двох зовнiшнiх s-електронiв), тобто в результаті прояву кореляції двох зовнішніх s-електронів.

Для дослiдження закономiрностей, особливостей та виявлення механiзму утворення двозарядних iонiв при багатофотонній іонізації атомів нами було запропоновано i реалiзовано три методи дослiджень: 1) дослiдження залежностей виходiв одно- та двозарядних iонiв вiд iнтенсивностi лазерного випромiнювання з абсолютизацiєю вiдношення мiж виходами цих iонiв при рiзних фiксованих частотах; 2) дослiдження залежностей виходiв одно- та двозарядних iонiв вiд частоти при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання, при фiксованiй величинi напруженостi поля та з абсолютизацiєю вiдношення мiж виходами цих iонiв; 3) проведення розрахунків вiдношення виходів одно- та двозарядних iонiв для випадку реалiзацiї каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв.

Для дослiдження закономiрностей, особливостей утворення однозарядних iонiв при багатофотонній іонізації атомів було запропоновано i реалiзовано слідуючий метод: дослiдження залежностей виходiв однозарядних iонiв вiд частоти при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання, при фiксованiй величинi напруженостi поля ("малiй", коли процес багатофотонної iонiзацiї атомiв не є насиченим та "великiй"- коли цей процес є насиченим).

Крiм того, запропоновано та реалізовано метод вимiрювання ефективних перерiзiв багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв.

Третій розділ присвячений розгляду умов проведення досліджень процесу багатофотонної іонізації атомів Mg, Са, Sr та Ва у видимій області спектра при лінійній та циркулярній поляризації лазерного випромінювання, виявленні фізичних процесів, які мають місце при іонізації цих атомів, встановленні закономірностей та особливостей одно- та багатофотонного збудження різного типу рівнів в цих атомах. Так, процес іонізації атомів Mg досліджувався в діапазоні частот 16300-18000 см-1, атомів Ca та Sr- в діапазоні 14800-18940 см-1, а атомів Ba - в діапазоні 14800-20900 см-1. При цьому для iонiзацiї атомiв Ba необхiдно поглинання трьох квантiв лазерного випромiнювання, атомiв Mg- чотирьох квантiв, а атомiв Ca та Sr- в залежностi вiд частоти лазерного випромiнювання трьох або чотирьох квантів.

Процедура вимірювання залежностей N+ (як і залежностей N2+ ) для досліджуваних іонів полягала в тому, що при кожній фіксованій частоті та напруженості поля лазерного випромінювання проводились декілька (10-20) вимірів амплітуд іонних сигналів і по цим вимірам знаходились середні значення величин цих амплітуд. Частота лазерного випромінювання змінювалась з кроком 3-5 см-1 в міжрезонансних проміжках залежностей N+ та з кроком 1-2 см-1 в області резонансних максимумів.

Дослiдження цих залежностей проводилися як при "малiй" напруженостi поля 1=1,3104-5,0·105В/см (F1=1,5·1024-2,2·1025см-2с-1), так i при "великiй" напруженостi поля 2=2,0·106 -1,5·107 В/см (F2=3,5·1028-2,0·1030 см-2с-1). Вiдмiтимо, що так детально, як це зроблено в наших дослiдженнях, процес багатофотонної iонiзацiї атомiв Mg, Са, Sr та Ва не досліджувався iншими авторами. Розкид експериментальних точок по амплітуді імпульсів (як і в діапазоні частот 9390-9500 см-1) при дослідженні залежностей N+ для однозарядних іонів становив при "великих" величинах напруженості поля лазерного випромінювання 2 величину 3-5%, а при "малих" величинах поля 1- 10-15% від середнього значення амплітуд.

Один iз типових результатiв дослiджень залежностей N+ при багатофотонній іонізації досліджуваних атомів приведено результати таких досліджень для атому Sr в області частот 16900 - 17900 см-1.

Iз результатiв дослiдження залежностей N+ при багатофотонній іонізації атомів Мg, Са, Sr та Ва можна зробити ряд узагальнень:

1. Частоти, на яких проявляються резонанснi максимуми у виході однозарядних іонів N+, практично не залежать вiд величини напруженостi поля лазерного випромiнювання.

2. Одні резонанснi максимуми проявляються як при "малiй" так і при "великiй" напруженостях поля лазерного випромiнювання, а інші-тiльки при "малiй" напруженостi поля лазерного випромiнювання.

3. Амплiтуди резонансних максимумiв коливаються в широких межах (вiд 0.5 до 9 порядкiв).

4. Ширини резонансних максимумiв лежать в межах вiд 2 до 300 см -1.

5. В бiльшостi випадкiв резонанснi максимуми мають симетричну, а в деяких випадках- асиметричну форму.

6. У виході iонiв Sr+ в околi частоти 17110 см-1 спостерiгається резонансний мiнiмум ("вiкно прозоростi" iонiзацiї атомiв), який має велику амплiтуду (бiля двох порядкiв).

Проведені аналiз та оцiнки, показали, що при "малих" величинах поля лазерного випромiнювання, збурення зв'язаних та деяких автоiонiзацiйних рiвнiв за рахунок процесiв польового перемiшування рiвнiв та iонiзацiї резонансних рiвнiв, а також ефекту Штарка незначне i тому частоти багатофотонного збудження цих рiвнiв добре спiвпадають з частотами, на яких проявляються резонансні максимуми в залежностях N+. В таких умовах ширини резонансних максимумiв, якi меншi 5 см-1, визначаються приведеною шириною лазерного випромiнювання. Велика ширина резонансних максимумiв, які зумовлені збудженням АIР, визначається великою шириною цих рiвнiв або сильним їх збуренням в полi лазерного випромiнювання.

Дослідження показали, що при впливі на досліджувані атоми лазерного випромінювання мають місце одно, дво- та трифотонні процеси збудження рівнів.

На даний час, в літературі відсутні повні дані про величини сил осциляторів для різних переходів в атомах Mg, Са, Sr, Ва і тому обчислити імовірність багатофотонного збудження рівнів практично не можливо. Але, дослідження залежностей N+ при фіксованій величині поля 1 в умовах відсутності насичення процесу іонізації атомів дає можливість отримати якісну інформацію про імовірності одно- та багатофотонного збудження різного типу рівнів, а також про величину збурення рівнів в полі лазерного випромінювання.

Проведено детальні дослідження процесів дво- та трифотонного збудження одно- і двоелектронних (синглетних та триплетних) зв'язаних рiвнiв в атомах Mg, Са, Sr та Ba. При цьому виявлено слідуюче:

-резонанснi максимуми проявляються як при "малих", так i при "великих" напруженостях поля лазерного випромiнювання;

-ширини резонансних максимумiв при "малiй" напруженостi поля зумовленi приведеною шириною лазерного виромiнювання;

-амплiтуди резонансних максимумiв при "малiй" напруженостi поля випромiнювання коливаються в межах вiд трьох до восьми порядкiв. Найбiльша амплiтуда резонансного максимуму спостерiгається в залежностi N+ при іонізації атома Ca (бiля восьми порядкiв);

-частоти, на яких проявляються резонансні максимуми при "малiй" та "великiй" напруженостi поля випромiнювання добре спiвпадають з частотами збудження зв'язаних рiвнiв, що дослiджувались;

-спостерiгається двофотонне збудження всiх одно- та двоелектронних (синглетних та триплетних) зв'язаних рiвнiв, частоти збудження яких попадають в дослiджувану область частот і збудження яких дозволено правилами відбору, а саме: для атомiв Са, Sr та Ва спостерiгається процес двофотонного збудження одноелектронних рiвнiв nsms 1S0 i nsnd 1D2 конфiгурацiй. Крiм того в атомах Sr спостерiгається процес двофотонного збудження двоелектронних рiвнiв 5p2 конфiгуацiї, а в атомах Ва - процеси двофотонного збудження двоелектронних рiвнiв 6p2, 5dnd, 5dns конфiгурацiй;

-спостерiгається велика iмовiрнiсть двофотонного збудження триплетних одно- та двоелектронних зв'язаних рiвнiв, яка близька до iмовiрностi збудження синглетних одноелектронних зв'язаних рiвнiв;

-імовiрнiсть збудження деяких триплетних двоелектронних зв'язаних рiвнiв сильно залежить вiд напруженостi поля лазерного випромiнювання;

Велика величина iмовiрностi двофотонного збудження триплетних двоелектронних рiвнiв в атомах Sr та Ba зумовлена декiлькома причинами: двоелектроннi (як i одноелектроннi) рiвнi не є "чистими" i в них є завжди домiшки синглетних одно --та двоелектронних рiвнiв, проявом кореляцiї двох s-електронiв в атомi та тим, що деякi триплетнi двоелектроннi рiвнi не можна описувати в системi LS-зв'язку.

Виявлено, що максимальна iмовiнiсть двофотонного збудження триплетних одноелектронних 6snd 3D2 (n=6-17) рiвнiв в атомi Ва реалiзується в областi значень головного квантового числа n=7,10,14. Аналіз показав, що в цих випадках має місце збурення синглетних та триплетних рiвнiв двоелетронними зв'язаними рiвнями, тобто має місце ефект взаємодiї одно- та двоелектронних конфiгурацiй.

Процес трифотонного збудження триплетних рiдбергiвських рiвнiв (РР) nsmр 3P01 конфігурацій не проявляється при чотирифотонній іонізації атомів Ca i Sr. Аномально мала iмовiрнiсть трифотонного збудження цих рiвнiв зумовлена тим, що вони не збурюються двоелектронними рiвнями (оскiльки вони вiдсутнi в областi частот збудження цих рiвнiв) внаслiдок чого вони є "чистi" i у них вiдсутнi домiшки iнших конфiгурацiй та тим, що для рiвнiв nsmр 3P01 конфiгурацiй реалiзується LS-зв'язок.

Дослідження амплітуд максимумів які відповідають інтеркомбінаційним переходам, дозволяє виявити області в спектрах атомів лужноземельних елементів, в яких синглет-триплетне перемішування рівнів мале і відповідно для опису одноелектронних зв'язаних рівнів справедливе наближення LS-зв'язку, а також області, в яких синглет-триплетне перемішування велике і для опису одноелектронних зв'язаних рівнів необхідно використовувати jj-зв'язок, або інші типи зв'язку.

Досліджено також процеси багатофотонного збудження рідбергівських рівнів в атомах Са, Sr та Ва. Так, двофотонне збудження синглетних та триплетних РР в атомі Ва досліджувалося в області частот 19000-20900 см-1, а трифотонне збудження синглетних РР в атомах Са та Sr - в діапазонах 14800-16435 см-1, 14800-15308 см-1, відповідно. Із результатів цих досліджень можна зробити слідуючі висновки:

1. В атомах Ва спостерiгається процес двофотонного збудження всiх РР рiзних конфiгурацiй, збудження яких дозволено правилами вiдбору, причому імовiрнiсть двофотонного збудження РР 6snd 1D2 конфiгурацiй бiльша, нiж iмовiрнiсть двофотонного збудження рiвнiв 6sns 1S0 конфiгурацiй.

2. Для атомiв Са та Sr спостерiгається процес трифотонного збудження РР nsnр 1P01 та nsmf 1F03 конфiгурацiй. При цьому виявлено, що iмовiрнiсть трифотонного збудження РР nsnр 1P01 конфiгурацiй значно бiльша, нiж iмовiрнiсть трифотонного збудження рiвнiв nsmf 1F03 конфiгурацiй.

3. Для атомiв Ва виявлено ефект збiльшення iмовiрностi двофотонного збудження синглетних одноелектронних рiдбергiвських 6snd 1D2 рiвнiв (при n=16,17) в околi частоти, яка відповідає двофотонному збудженню двоелектронного зв'язаного 5d7d 3P0 рiвня.

Збільшення імовірності двофотонного збудження рівнів 6snd 1D2 при n=16,17 в атомах Ва зумовлено збуренням цих рівнів двоелектронними зв'язаним рівнем 5d7d 3P0.

Дослiджено процес трифотонного збудження АIР в атомах Ca, Sr та Ва. При цьому виявлено слідуюче:

-при іонізації атомів Са, Sr та Ва збудження цих рівнів проявляється тiльки при "малiй" напруженостi поля лазерного випромiнювання;

-тільки при іонізації атомів Sr збудження деяких АІР проявляється як при "малiй", так i при "великiй" напруженостi поля лазерного випромiнювання;

-амплiтуди резонансних максимумiв зумовлених збудженням АІР при "малих" величинах напруженостi поля коливаються в широких межах - вiд одного до трьох порядкiв. Велику амплiтуду мають максимуми лише малої ширини;

-при іонізації атому Sr амплiтуди деяких резонансних максимумiв малої ширини (біля 5 см-1) є порiвняними з амплiтудами резонансних максимумiв, зумовлених збудженням зв'язаних рiвнiв, i мають амплiтуду бiля трьох- чотирьох порядкiв;

-при іонізації атомів Са, Sr та Ва спостерiгаються резонанснi максимуми, ширини яких коливаються в межах вiд 5 до 300 см-1. Ширини деяких із цих максимумiв мають таку ж величину, як i ширини резонансних максимумiв, якi зумовленi збудженням зв'язаних рiвнiв;

-при іонізації досліджуваних атомів мають місце максимуми, якi проявляються тiльки при лiнiйнiй поляризацiї випромiнювання, i максимуми, якi проявляються як при лінійній, так і при циркулярнiй поляризацiї випромiнювання;

-спостерiгається збудження АIР, якi збігаються до перших збуджених nd 2D3/2,5/2 та np 2P01/2,3/2 рiвнiв однозарядного iона відповідних атомів;

-при іонізації атомів Mg, Са, Sr та Ва в залежностях N+ вiдсутня велика кiлькiсть резонансних максимумiв, якi можуть бути зумовленi збудженням вiдомих АIР;

-при іонізації атомів Са, Sr та Ва в залежностях N+ має місце ряд резонансних максимумiв, якi зумовленi збудженням невiдомих АIР;

Як уже відмічалось, в найбiльшiй мiрi та з найбiльшою iмовiрнiстю трифотонне збудження АIР проявляється при трифотоннiй iонiзацiї атома Sr. Велика iмовiрнiсть збудження цих рівнів зумовлена великою величиною відповідного складеного матричного елемента та малою їх шириною.

При трифотонній іонізації атомів Са, Sr та Ва в залежностях N+ вiдсутня велика кiлькiсть резонансних максимумiв, якi можуть бути зумовленi збудженням вiдомих АIР. Вiдсутнiсть цих максимумiв зумовлена декiлькома причинами: малою iмовiрнiстю збудження АIР, великою шириною цих рiвнiв та сильним збуренням АIР в полi лазерного випромiнювання.

При іонізації атомів Sr в дiапазонi частот 16700-17200 см-1 виявлено "вiкно прозоростi", яке зумовлено процесом трифотонного збудженя АIР при значеннях параметра Фано q 0.

Досліджено процеси однофотонного збудження зв'язаних рівнів в атомі Ва. Із результатів цих досліджень можна зробити слідуючі узагальнення:

1.Ширини резонансних максимумiв коливаються в межах вiд 5 до 40см-1.

2.Амплiтуди резонансних максимумiв мають величину бiля одного порядка, що значно менше вiд амплiтуд максимумiв, зумовлених двофотонним збудженням зв'язаних рiвнiв із основного стану.

3.Відповідні резонанснi максимуми в залежностях N+ проявляються лише при "малiй" величинi напруженостi поля лазерного випромiнювання.

4.Спостерiгається процес однофотонного збудження резонансного 6s6р 1P01 рiвня із основного стану.

5.Мають місце процеси однофотонного збудження двоелектронних зв'язаних рiвнiв iз збуджених метастабiльних 6s5d 1D2 та 6s5d 3D1,2,3 та резонансного 6s6р 1P01 рiвнiв. Ці процеси проявляються як при лiнiйнiй, так і при циркулярнiй поляризацiї випромiнювання.

Однофотонне збудження зв'язаних рівнів як із основного, так і із збуджених станів не проявляється при великих величинах поля 2. Це пояснюється тим, що при цих полях збурення рівнів за рахунок польового перемішування рівнів велике (біля 200 см-1).

Аналіз вказує на те, що утворення атомiв Ва в збуджених 6s5d 1D2 та 6s5d 3D1,2,3 та 6s6р 1P01 станах проходить в результатi гiперкомбiнацiйного розсiювання свiтла. З найбільшою імовірністю це розсіювання проявляється в області частот близьких до частот, що відповідають двофотонному збудженню зв'язаних рівнів.

В кiнцi роздiлу зробленi основнi висновки дослiджень процесу утворення однозарядних iонiв дослiджуваних атомiв в дiапазонi частот 14800-20900 см-1.

В четвертому роздiлi розглянутi закономiрностi та особливостi утворення двозарядних iонiв при багатофотонній іонізації атомів Са, Sr та Ва в дiапазонi частот 15000-19000 см-1 при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання; механiзми їх утворення; фізичні процеси, які мають місце при їх утворенні; результати розрахункiв вiдношення виходiв одно- та двозарядних iонiв при реалiзацiї каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв та результати вимiрювань ефективних перерiзiв багатофотонної iонiзацiї однозарядних iонiв.

Для виявлення та дослідження резонансних процесів утворення двозарядних іонів при багатофотонній іонізації атомів використовувався розроблений метод вимірювання залежностей N2+. Дослiдження цих залежностей проводилися при фiксованiй величинi напруженостi поля лазерного випромiнювання 2·106 В/см, або =1,5·107 В/см (iнтенсивностi F=3,5·1028 см-2с-1, або F=2·1030 см-2с-1). Розкид експериментальних точок по амплітуді імпульсів (як і в діапазоні частот 9390-9500 см-1) при дослідженні залежностей N+ для однозарядних іонів становив 3-5% від середнього значення амплітуди, а при дослідженні залежностей N2+ для двозарядних іонів становив 20-30% від середнього значення амплітуд.

Вiдмiтимо, що такі детальні дослідження залежностей N+ i N2+ при багатофотоннiй iонiзацiї атомiв Са, Sr та Ва в умовах широкої спектральної області, фiксованої величини напруженість поля лазерного випромiнювання, абсолютизації вiдношення виходів iонiв та рiзної поляризацiї випромiнювання, не були проведенi iншими дослiдниками. Відмітимо також, що результати отриманi іншими дослiдниками добре спiвпадають з даними отриманими нами.

Приведений один iз типових результатiв дослiджень залежностей N+ i N2+ отриманих при багатофотоннiй iонiзацiї досліджуваних атомiв, а саме, на цьому рисунку приведенні результати таких досліджень для атома Ва в області частот 14900-15900 см-1.

Iз результатiв дослiджень залежностей N+ та N2+ отриманих при багатофотонній іонізації атомів Са , Sr та Ва можна зробити ряд узагальнень:

1. Спостерiгається вiдносно великий вихiд двозарядних iонiв в порiвняннi з виходом однозарядних iонiв (N2+/N+=10-5-10-1). Величина вiдношення N2+/N+ залежить вiд частоти лазерного випромiнювання.

2. У виході двозарядних іонів має місце велика кiлькiсть резонансних максимумiв. Причому, одні максимуми проявляються як при лiнiйнiй, так i при циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання, а інші- лише при лінійній поляризації.

3. У виході іонів Ва2+ ряд резонансних максимумiв проявляються лише при циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання.

4. В переважнiй бiльшостi випадкiв резонанснi максимуми у виході одно-та двозарядних іонів проявляються на рiзних частотах лазерного випромiнювання, а в невеликiй кiлькостi випадкiв- на одних i тих же частотах.

5. Ширини резонансних максимумiв у виході двозарядних іонів знаходяться в широких межах - вiд 5 до 100 см-1.

6. Амплiтуди резонансних максимумiв у виході iонiв Са2+, Sr2+ та Ва2+ знаходяться в широких межах - вiд одного до чотирьох порядкiв, а амплiтуди резонансних максимумiв у виході iонiв Са+, Sr+ та Ва+ мають малу величину - бiля одного порядка.

Проведенi оцiнки та аналiз показали, що мала амплiтуда резонансних максимумiв у виходi однозарядних iонiв пов'язана з насиченням процесу iонiзацiї атомiв. Аналогiчнi оцiнки та аналiз показали, що процес iонiзацiї однозарядних iонiв стронцiю та барiю не є насиченим i тому резонанснi максимуми у виходi двозарядних iонiв, як правило, мають велику амплiтуду. Ефекти, якi можуть збурювати рiвнi в полi лазерного випромiнювання та зумовлювати ширини резонансних максимумiв в залежностях N2+, є такими ж ефектами, які детально проаналiзованi вище (див. третiй роздiл).

Для встановлення механізму утворення двозарядних іонів була проведена ідентифікація резонансних максимумів в залежностях N2+. Iз результатiв цієї iдентифiкацiї для iонiв Ca2+, Sr2+ та Ba2+ при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї випромiнювання можна зробити ряд висновкiв:

1.Мають місце резонанснi процеси, якi зумовленi багатофотонною iонiзацiєю однозарядних iонiв як із основного ns 2S1/2, так і із перших збуджених nd 2D3/2,5/2 та np 2P01/2,3/2 станiв.

2.При утворенні іонiв Ca2+ при лiнiйнiй поляризацiї випромiнювання в бiльшостi випадкiв проявляються резонанснi процеси, якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Ca+ iз збуджених 3d 2D3/2,5/2 рiвнiв i в меншостi випадкiв- iз збуджених 4p 2P01/2,3/2 рiвнiв, а при циркулярнiй поляризацiї випромiнювання проявляються лише три- та чотифотоннi резонанснi процеси, якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Ca+ лише iз збуджених 3d 2D3/2,5/2 рiвнiв.

3.У виході iонiв Sr2+ при лiнiйнiй поляризацiї випромiнювання в бiльшостi випадкiв проявляються резонанснi процеси, якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Sr+ iз збуджених 5p 2P01/2,3/2 рiвнiв i в меншостi випадкiв- якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Sr+ iз збуджених 4d 2D3/2,5/2 рiвнiв.

4.У виході iонiв Ва2+ при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї випромiнювання в областi "малих" частот (15000-17700 см-1) в бiльшостi випадкiв проявляються резонанснi процеси, якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Ва+ iз збуджених 5d 2D3/2,5/2 рiвнiв, а при утвореннi iонiв Ва2+ в областi "великих" частот (17700-18700 см-1) в бiльшостi випадкiв - процеси, якi зумовленi iонiзацiєю iонiв Ва+ iз збуджених 6p 2P01/2,3/2 рiвнiв.

Переважну бiльшiсть резонансних максимумiв в залежностях N2+ для iонiв Са2+, Sr2+ та Ва2+ можна однозначно iдентифiкувати резонансними переходами в спектрi однозарядних iонiв. Цей факт однозначно доказує реалiзацiю каскадного механiзму утворення цих двозарядних iонiв.

Разом з тим, деякі резонансні максимуми у виході іонів Са2+, Sr2+ та Ва2+ не можна пояснити реалізацією каскадним механізмом утворення цих іонів.

Так, невелика кiлькiсть резонасних максимумiв в залежностях N2+ для iонiв Са2+, Sr2+ та Ва2+ проявляється як при лiнiйнiй, так i при циркулярнiй поляризацiї випромiнювання, хоча відповідні резонанснi переходи в спектрi однозарядних iонiв Са+, Sr+ та Ва+ дозволенi лише для лiнiйної поляризацiї випромiнювання. Цей факт вказує на те, що при лiнiйнiй та циркулярнiй поляризацiї випромiнювання або тiльки при циркулярнiй поляризацiї, механiзм утворення двозарядних iонiв не є каскадним.

Крім того, деяка кiлькiсть резонансних максимумiв в залежностях N2+ для iонiв Sr2+ та Ва2+, якi не вдалося iдентифiкувати резонансними переходами в спектрi однозарядних iонiв, проявляється в областi "малих" частот (менше 16500 см-1). Цей факт вказує на те, що в цiй областi частот реалiзується механiзм утворення двозарядних iонiв Sr2+ та Ва2+, який не є каскадним.

В залежностях N2+ для iонiв Ba2+ спостерiгаються резонанснi максимуми, якi проявляються тiльки при циркулярнiй поляризацiї лазерного випромiнювання. Такi максимуми не можна iдентифiкувати резонансними переходами в спектрi однозарядних iонiв, що також вказує на реалiзацiю механiзма утворення iонiв Ва2+ який не є каскадним.

Для вияснення механiзму утворення двозарядних iонiв в мiжрезонансних промiжках залежностей N2+ була розроблена методика та проведена цiла серiя дослiджень, яка базується на вимірюванні величин степеней нелiнiйностi К2+е утворення цих iонiв. Для цього досліджувались залежності виходів одно- та двозарядних іонів від інтесивності лазерного випромінювання і уже із них визначались степені нелінійності утворення цих іонів.

Один iз типових результатiв дослiджень залежностей lgN+(lgF) та lgN2+(lgF) на однiй фiксованiй частотi для iонiв Sr+ та Sr2+, Ва+ та Ва2+.

Iз результатiв дослiджень залежностей lgN+(lgF) та lgN2+(lgF) для iонiв Sr+ та Sr2+, Ва+ та Ва2+ можна зробити ряд узагальнень:

1. Ефективне утворення іонів Sr2+ та Ва2+ спостерiгається тiльки в областi iнтесивностей, яка вiдповiдає насиченню процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв Sr та Ва, вiдповiдно.

2. Вiдношення мiж виходами дво- та однозарядних iонiв (N2+/N+) при тих iнтенсивностях випромiнювання, коли наступає насичення процесу багатофотонної iонiзацiї атомiв, значно менше для iонiв барiю, нiж для iонiв стронцiю.

Вимiрянi величини степеней нелінійності К2+1е або К2+2е для iонiв Sr2+ та Ва2+ добре спiвпадають з числом квантiв, поглинання яких необхiдно для iонiзацiї iонiв Sr+ та Ва+ iз основного або збуджених рiвнiв. Цей факт однозначно доводить реалiзацiю каскадного механiзму утворення iонiв Sr2+ та Ва2+, причому при рiзних iнтенсивностях реалiзується процес iонiзацiї однозарядних iонiв iз рiзних станiв. Спостереження iонiв Sr2+ та Ва2+ тiльки в областi iнтенсивностей, де реалiзується насичення процесу iонiзацiї атомiв Sr та Ва, теж вказує на реалiзацiю каскадного механiзму утворення двозарядних iонiв.