Американские ученые из Ливерморской национальной лаборатории, работающие на установке NIF (National Ignition Facility, Национальный комплекс зажигания), продемонстрировали возможность слияния нескольких мощных лазерных пучков в плазме в один. При этом мощность образующегося лазерного луча почти в четыре раза превысила мощность каждого из первоначальных лучей. Результаты эксперимента опубликованы в Nature Physics.

Как правило, идея объединения нескольких лазерных лучей в один сталкивается с критикой — дело в том, что лазерные лучи, оказавшись в одной точке пространства, просто пройдут сквозь друг друга, и не будут сливаться в один луч. Однако это справедливо только для вакуума. Если же столкновение лучей происходит в веществе, то между ними возможно взаимодействие. Тем не менее, вплоть до недавнего времени ученым не удавалось осуществить слияние мощных лучей.

Проблема заключается в том, что взаимодействие лазерных пучков обычно осуществляют в специальных кристаллах, которые всегда имеют предел по максимальной мощности излучения в них. Если мощность превышает критическую, наступает пробой кристалла, после чего качество и мощность лазерных импульсов, выходящих из кристалла, резко ухудшается.

R. K. Kirkwood et al., / Nature Physics

В новой работе ученые предложили использовать для слияния мощных пучков плазму. В отличие от кристаллов, плазма уже является результатом пробоя вещества, и может выдержать значительно более высокую мощность излучения. Однако плазма является крайне нестабильной средой. В большинстве случаев при распространении лазерного импульса в плазме или тем более при взаимодействии в ней нескольких лучей происходит развитие неустойчивостей, приводящих к сильной деформации лазерных импульсов и в конечном итоге к практически полному рассеянию их энергии.

Обойти эти проблемы экспериментаторам, работающим на установке NIF, удалось за счет специального подбора параметров эксперимента: плотности используемой плазмы, частоты и направления распространения лазерных лучей.

NIF (National Ignition Facility) — огромная лазерная установка, состоящая из 192 лазерных каналов, то есть способная одновременно произвести 192 лазерных импульса. Суммарная их энергия превышает мегаджоуль, что является рекордным значением среди всех существующих установок. Основная научная цель NIF — изучение лазерного инерциального термоядерного синтеза. 192 лазерных луча облучают небольшую мишень, состоящую из дейтериевого льда. При нагреве и сжатии мишени возникают условия, необходимые для протекания термоядерного синтеза. Однако в данной серии экспериментов установка была использована с другой целью.

Внутри мишенной камеры NIF. Damien Jemison / LLNL

Из 192 пучков были задействованы только 49. 40 из них превращали мишень в плазму и нагревали её до 1800 электрон-вольт (около 20 миллионов градусов). Мишень представляла собой шарик, заполненный пентаном C₅H₁₂. В результате действия нагревающих лучей образовывалась плазма в виде цилиндра длиной семь миллиметров и радиусом два миллиметра.

Внешний вид мишени. R. K. Kirkwood et al., / Nature Physics

В этот цилиндр запускался один луч, игравший роль «затравки». Его роль заключалась в том, чтобы закачать в себя энергию оставшихся восьми лучей. Перекачивание энергии происходило за счет взаимодействия лазерного излучения с плазмой в процессе, который называется вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна. Качественно его можно описать следующим образом: мощные лазерные импульсы возбуждали в плазме волны, похожие на звук — их называют ионно-звуковыми, — которые, взаимодействуя с затравочным импульсом, отдавали ему свою энергию.

Было проведено три эксперимента: с одним только затравочным импульсом, с добавлением четырех мощных импульсов и с добавлением восьми мощных импульсов. Первый эксперимент подтвердил, что затравочный импульс распространяется в плазме без значительных изменений. Во втором эксперименте его энергия в конце составила около 2,4 кДж при энергии каждого из мощных импульсов 1,1 кДж. А в третьем эксперименте при той же энергии мощных импульсов затравочный импульс был усилен до 4,2 ± 1 кДж. Учитывая, что начальная энергия затравочного импульса составляла около 0,75 кДж, коэффициент усиления составил приблизительно 5,7, при том что теоретически идеальный предел — 10. Но главное — энергия конечного импульса была практически в 4 раза больше, чем первоначальная энергия любого из импульсов.

В дальнейшем учёные надеются объединить таким образом до 20 лазерных лучей. Получение импульсов столь высокой энергии особенно важно для задач физики высоких плотностей энергии, требующих концентрации большого количества энергии в относительно малом объёме за относительно малое время. Длительность импульсов, полученных в этом эксперименте составляла всего одну наносекунду. За счет высокой мощности при их воздействии на твердотельные вещества происходит его нагрев до десятков и сотен миллионов градусов. А за счет малой длительности нагрев происходит так быстро, что вещество разлетается на относительно небольшое расстояние, и его плотность остаётся относительно высокой. Это позволяет исследовать вещество в условиях, чем-то напоминающие условия в недрах звезд.

Мощные лазеры могут использоваться в самых разных сферах. Например, недавно российским ученым удалось нагреть поверхность металла до трех миллионов градусов и при этом сохранить его плотность при прямом облучении мощным лазером. Это позволяет исследовать материалы в экзотическом состоянии теплого плотного вещества, которое в естественных условиях встречается только в недрах планет.

Автор: Артем Коржиманов