Взаимодействие сильного электромагнитного излучения с плазмой

В последние годы сотрудниками института (А. Г. Литвак, В. А. Миронов, Г. М. Фрайман, А. В. Ким и др.) выполнен большой цикл исследований по теории нелинейных волн, ориентированный в первую очередь на приложения в области лазерной физики.

В присутствии сильного лазерного поля происходит существенное изменение характера электрон-ионных столкновений. При большом радиусе высокочастотных осцилляций электроны многократно возвращаются к иону и испытывают фокусирующее действие кулоновского потенциала, что приводит к изменению характеристик рассеяния. В отличие от традиционных представлений эффективность джоулева нагрева плазмы не ослабевает с ростом интенсивности электромагнитной волны, поскольку частота электрон-ионных столкновений медленнее спадает с ростом амплитуды лазерного поля E (E^-2 вместо E^-3). Кроме того, происходит генерация когерентного излучения на гармониках поля накачки, слабо зависящая от поляризации поля, появляются высокоэнергичные частицы, распределение их по энергиям имеет универсальный вид для нерелятивистских и релятивистских интенсивностей поля накачки.

Найден интеграл парных электрон-ионных столкновений, описывающий все указанные эффекты в сильных электромагнитных полях. Это позволяет учитывать эффекты столкновений в современных схемах описания инерциального УТС.

Динамика интенсивности I лазерного импульса для двух разных типов начальных условий:
a – для треугольного импульса с начальной длительностью 24 периода поля, с начальной амплитудой 2,4 (в релятивистских единицах);
б – для супергауссова лазерного импульса с начальной длительностью 20 периодов поля, с начальной амплитудой 2.
Синяя линия – начальный временной профиль лазерного импульса на оси пучка; красная линия – текущий временной профиль импульса на оси пучка; голубая линия – начальное распределение интенсивности поля в поперечном направлении; фиолетовая линия – текущее распределение лазерного импульса в поперечном направлении

Развитие новейших лазерных технологий для генерации оптических импульсов фемтосекундной длительности стимулировало исследование процессов дальнейшего укорочения импульсов. В ИПФ РАН предложены и получили развитие следующие схемы компрессии лазерных импульсов в плазме:

Экспериментально и теоретически продемонстрирована возможность усиления ультракороткого лазерного импульса в обратном рамановском рассеянии в плазме тонкого капилляра и в струе газа.
Показано, что при распространении мощного фемтосекундного лазерного импульса в газонаполненном диэлектрическом капилляре может быть реализован новый механизм ионизационной самокомпрессии импульса, обусловленный формированием нелинейного плазменного волновода, аномальная дисперсия которого позволяет сгруппировать коротковолновые спектральные компоненты, появляющиеся в процессе ионизации газа. В оптимальном режиме предлагаемая схема компрессии позволит получать сверхкороткие импульсы c длительностью в несколько периодов поля и с энергией в десятки джоулей, что соответствует петаваттному уровню мощности.
Предложены новые методы самосжатия лазерных импульсов вплоть до одного оптического периода поля мультипетаваттного уровня мощности, в которых механизмы укорочения лазерных импульсов принципиально связаны с нестационарностью процесса самовоздействия лазерного импульса в условиях возбуждения кильватерной плазменной волны. В одной из схем самосжатие импульса достигается благодаря нестационарности процесса самофокусировки пространственно ограниченного лазерного импульса с длительностью менее периода плазменной волны. В другой схеме происходит самокомпрессия лазерного импульса с длительностью, совпадающей с периодом плазменной волны. Компрессия обусловлена спецификой преобразования спектра релятивистски сильного импульса в плазме, когда на передней части импульса спектр трансформируется в красную часть (из-за вытеснения плазмы из области сильного поля), а в задней части спектр смещается преимущественно в синюю область, что при учёте аномальной дисперсии плазмы приводит к сжатию импульса.

Форма канала, образовавшегося в результате воздействия на плазму (слой толщиной 40 длин волн, невозмущённая плотность 2 критических) лазерного излучения (λ = 1 мкм) одиночного гауссова импульса длительностью 300 фс и максимальной интенсивностью I = 4,3 · 10¹⁹ Вт/см² (вверху) и последовательности из 10 гауссовых импульсов (каждый длиной по 30 фс с задержкой между ними 60 фс) с той же максимальной интенсивностью и с той же суммарной энергией (внизу). Цветом показано распределение плотности ионов в логарифмическом масштабе

Для более эффективной передачи энергии частицам в схемах быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза предлагается использовать метод laser hole boring (LHB), т. е. образование канала в плотной закритической плазме под действием релятивистски сильного лазерного излучения в результате пондеромоторного выталкивания частиц из области сильного поля. Применение этого метода сдерживается недостаточной скоростью прорастания канала и развитием в процессе образования канала неустойчивости типа шланговой. Показано, что благодаря соответствующему временному профилированию лазерных импульсов возможно значительное повышение эффективности формирования канала и улучшение его качества. Для этого необходимо, чтобы при взаимодействии излучения с плазмой был реализован гибридный режим, в котором проявляются черты релятивистски индуцированной прозрачности. Численное исследование показало, что основными факторами, определяющими близость к режиму релятивистски индуцированной прозрачности, являются крутизна переднего фронта лазерного импульса и «дробление» лазерной энергии, т. е. использование вместо одного импульса последовательности нескольких коротких импульсов с контролируемой задержкой между ними.