Нелинейная динамика высокочастотных волновых процессов в плазме

В последние годы выполнен широкий цикл исследований по теории нелинейных волн, непосредственно ориентированный на эти приложения лазерной физики. Так, исследование нестационарного самовоздействия ультракоротких лазерных импульсов с учетом процессов релаксации нелинейности среды не только привело к дальнейшему развитию теории пространственно-временных коллапсов, но и позволило, в частности, показать, что эффект самоканалирования фемтосекундного лазерного импульса позволяет существенно увеличить протяженность области с возбужденными им кильватерными колебаниями. Изучены также режимы волновых коллапсов в нелинейных средах с нормальной и аномальной дисперсией групповой скорости, включая образование областей сверхсильного поля в наиболее сложных режимах критического и фрактального коллапсов и реализацию режима множественного дробления пространственного ограниченного волнового пакета, приводящего к аномальному уширению спектра лазерного импульса. Численное моделирование динамики самовоздействия и проводимые эксперименты показывают, что уширение спектра при распространении излучения становятся порядка несущей частоты и, следовательно, общепринятое описание процессов на основе уравнений, типа нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) становится недостаточным. Соответствующие обобщение на случай широкополосного излучения приводит к уравнениям типа Кадомцева – Петвиашвили, Хохлова – Заболотской. Оно учитывает дисперсию групповой скорости в широком диапазоне частот (от аномальной до нормальной) и нелинейность, которая содержит две части. Одна часть соответствует кубичной нелинейности, вторая определяется зависимостью групповой скорости волнового поля от интенсивности. Как и в случае НУШ, удается качественно (с помощью метода моментов, решений автомодельного типа) проанализировать особенности динамики самовоздействия. Они связаны с опрокидыванием волнового поля. В результате самофокусировка волнового поля сопровождается формированием резкого ударного фронта. Для иллюстрации показан процесс коллапса в условиях градиентной катастрофы.

В присутствии сильного лазерного поля происходит также существенное изменение характера электрон-ионных столкновений. При большом радиусе высокочастотных осцилляций электроны многократно возвращаются к иону и испытывают при этом фокусирующее действие кулоновского потенциала. Учет этого эффекта приводит к изменению характеристик рассеяния. В частности показано, что, в отличие от традиционных представлений частота электрон-ионных столкновений спадает с ростом амплитуды лазерного поля Е медленнее ( Е-2 вместо Е-3), т. е. эффективность джоулева нагрева плазмы не ослабевает с ростом интенсивности электромагнитной волны. Также возникают значительные эффекты генерации когерентного излучения на гармониках поля накачки, слабо зависящие от поляризации этого поля. Кроме того, электрон-ионные столкновения в сильных полях приводят к появлению высокоэнергичных частиц. Закон распределения таких частиц имеет универсальный вид для нерелятивистских и релятивистских интенсивностей поля накачки. В нерелятивистском пределе существует естественное ограничение на максимальную энергию таких частиц – удвоенная осцилляторная энергия частицы. Однако в ультрарелятивистском случае это ограничение может быть преодолено, и максимальная энергия частиц равна p3osc/m2c. На рисунке представлена теоретическая кривая распределения быстрых частиц и экспериментальные результаты различных авторов. Видно хорошее совпадение на протяжении многих порядков по энергии частиц.

В нелинейном плазменном эксперименте центр тяжести сместился в последние годы к исследованию физических процессов, играющих ключевую роль в активных экспериментах, связанных с воздействием мощных радиоволн на ионосферу и магнитосферу Земли. Полученные результаты по возбуждению плазменных волн и ускорению электронов в бесстолкновительной замагниченной плазме, а также по тепловому просветлению плотной непрозрачной плазмы под действием пучка электромагнитных волн, распространяющегося перпендикулярно магнитному полю, содержат важную информацию для интерпретации результатов натурных экспериментов по модификации ионосферы мощными радиоволнами.

Радиальные распределения плотности плазмы в различные промежутки времени при включенном импульсе накачки (–) и без нее (красным цветом)
Плазменная камера стенда «Крот»

К моделированию волновых процессов в магнитосфере примыкают экспериментальное исследование каналирования вистлеров в неоднородных каналах (дактах) с повышенной или пониженной плотностью (по отношению к окружающей плотности замагниченной плазмы), а также эксперименты по исследованию сильной нижнегибридной турбулентности, в которых удалось наблюдать динамику модуляционной неустойчивости нижнегибридных колебаний и образование нижнегибридных кавитонов – НГ колебаний, захваченных в самосогласованные минимумы плотности. В качестве примера на рисунке представлены полученные на стенде «Крот» пространственные распределения плотности плазмы по радиусу плазменного столба на расстоянии 1 м от индуктора. В первые 300 мкс после импульса накачки наблюдалось формирование мелкомасштабных квазипериодических плазменных структур на размерах порядка радиуса возбуждающей антенны с характерной глубиной модуляции порядка 10–20% и размером несколько сантиметров. В дальнейшем образовавшиеся ямки плотности начинают расплываться и к концу импульса накачки сливаются, образуя на временах t < 500 мкс глобальный провал плотности плазмы в центральной области плазменного столба.