лазерная плазма

ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА - нестационарная плазменная среда, образующаяся при воздействии мощного лазерного излучения на вещество. Напр., Л. п. возникает при оптич. пробое в газовых средах (лазерная искра); при облучении лазером плоской твёрдой мишени ("факел"); в оптических разрядах, поддерживаемых лазерным излучением; в лазерных термоядерных мишенях. Впервые экспериментально Л. п. была получена в лазерной искре (1963).

Характерные признаки Л. п. 1) Наличие сильного взаимодействия эл--магн. поля лазерного излучения частоты w с электронами и ионами плазмы в области е плотностью электронов приводящего к неравновесности ф-ций распределения заряж. частиц. 2) Существование потоков излучения и частиц из зоны поглощения в глубь вещества и образование (при воздействии на твёрдые среды) области плазмы с п_еn_кр 3) Сильная пространственная неоднородность. 4) Многокомпонентный ионный состав. 5) Нестационарность: время жизни Л. п. определяется длительностью импульса, инерцией вещества, временем расширения. Характерное время гидродинамич. разлёта (L - характерный размер Л. п., - скорость разлёта). 6) Испускание теплового излучения в широком спектральном диапазоне. 7) Широкий диапазон измеряемых параметров: см~³; 1 кэВ<T10⁴ эВ; 10^-11 с <<10^-3 с; скорости разлёта до 10⁸ см/с; давления более 10 Мбар.

При воздействии лазерного излучения на среду Л. п. возникает в том случае, если плотность потока излучения q (Вт/см²) превысит нек-рое пороговое значение, зависящее от длины волны лазерного излучения и от параметров среды. Различают три стадии существования Л. п.: стадия нач. ионизации и оптич. пробоя вещества, образование собственно плазмы; стадия взаимодействия (поглощения, отражения, рефракции) лазерного излучения с плазмой, нагрева до высоких темп-р, увеличение степени ионизации; стадия разлёта, формирования ионных потоков, остывания плазмы.

Физические явления в Л. п. Во всех разновидностях Л. п. нач. стадия образования плазмы связана с оптическим пробоем, возникновение к-рого объясняется двумя механизмами: ионизацией электронным ударом с последующим образованием лавины электронной и многофотонной ионизацией. С первым механизмом связан пробой газов (р1 атм) при q10¹¹ Вт/см² и пробой паров при воздействии на твёрдые мишени лазерного излучения с q10⁸-10⁹ Вт/см².

При плотностях потока q10^11-12 Вт/см² в Л. п. развиваются процессы многократной ионизации, к-рая носит нестационарный и неравновесный характер. Ионный состав плазмы обычно определяется процессами ударной и радиационной ионизации и рекомбинации. В плотной плазме (n_е>10²² см^-3) ионный состав близок к определяемому Саха формулой, в разреженной плазме (n_е<n_кр) - к корональному равновесию (см. Ионизационное равновесие ).Поскольку для электронов с разл. значениями гл. квантового числа п вероятности радиационных процессов различны, то, возможно, и в Л. п. реализуется ситуация, когда в одном и том же атоме при малых и (для К и L электронов, n=1, 2) выполняются условия равновесия Саха, а при больших n - коронального равновесия.

Поглощение лазерного излучения в Л. п. вызвано линейными процессами, тормозным и резонансным, а также нелинейными, т. н. параметрич., процессами. В определ. условиях могут быть существенны также процессы отражения и рефракции излучения в неоднородной плазме. Роль нелинейных явлений увеличивается с ростом плотности потока q и [с ростом параметра q (Вт*см^-2*мкм²)] и становится значительной при q>10¹³ Вт*см^-2 мкм². В Л. п. экспериментально наблюдаются самофокусировка лазерного луча (уменьшение его диаметра при распространении в неоднородной плазме) и филаментация (спонтанное возникновение и рост мелкомасштабных пеоднородностей поля при первоначально однородном волновом фронте). Причиной этих эффектов является действие пондеромоторных сил эл--магн. поля лазерного излучения или неоднородный нагрев плазмы, локально изменяющие её плотность и коэф. преломления, а следовательно, влияющие на распространение лазерного излучения.

Воздействие мощной световой волны с частотой на Л. п. приводит к образованию плазменных волн - колебаний электронной и ионной плотности, к-рые взаимодействуют с первичной и рассеянной световыми волнами, в результате чего образуются, в частности, эл--магн. волны с частотой, кратной падающей лазерной - и т. д. (т. н. гармоники). Экспериментально зарегистрированы гармоники до 300 Наиболее существенно Мандельштама - Бриллюэна рассеяние на колебаниях ионной плотности и вынужденное комбинационное рассеяние (см. Вынужденное рассеяние света).

Распределение электронов в Л. п. является неравновесным, причём доля электронов с энергией 10 kT может быть значительно больше, чем в распределении Максвелла (т. н. надтепловые, или быстрые, электроны). Генерация надтепловых электронов связана с резонансным возрастанием продольной (параллельной градиенту плотности и направлению лазерного луча) компоненты электрич. поля вблизи n_кр и диссипацией энергии поля (напр., при помощи обратного эффекта Черенкова, см. Электродинамика движущихся сред)в электронную компоненту плазмы (см. Лазерный термоядерный синтез), а также с процессами распада световой волны на два электронных плазменных колебания (плазмона). Неравновесное распределение электронов по энергии обычно описывается наложением двух максвелловских распределений - тепловых (с темпрой kT)и надтепловых (с темп-рой 10 kT).

В Л. п. экспериментально обнаружены сверхбыстрые ионы, ускоренные до энергий в десятки и сотни кэВ самосогласованным электрич. полем в процессе разлёта Л. п. Количество быстрых ионов возрастает с увеличением числа надтепловых электронов, а доля последних растёт с увеличением параметра (при 10¹³ Вт*см^-2*мкм² ).

При потоках q10¹⁴ Вт/см² темп-pa Л. п. достигает 1 кэВ и Л. п. становится мощным источником жёсткого рентг. излучения, возникающего как следствие тормозного испускания, так и вследствие свободно-связанных и связанно-связанных переходов (см. Уровни энергии). Эффективность испускания (отношение излученной энергии к поглощённой) возрастает по мере увеличения атомного номера элемента, из к-рого приготовлена плазма. Экспериментально показано, что при воздействии лазера с=0,3 мкм и q= 10¹⁴ Вт/см² на золотую пластину в рентг. излучение может быть преобразовано до 60% поглощённой энергии с плотностью потока до 10¹³ Вт/см². В Л. п. наблюдались ионы с высокой кратностью ионизации (вплоть до Z=40).

В Л. п. экспериментально обнаружены сверхсильные магн. поля величиной 1 МГс. Генерация магн. полей может быть связана с неоднородностью пондеромоторных сил, с различием вязкости электронов и ионов, с плазменными неустойчивостями и разными видами турбулентности и др. Наиболее существенная для

Л. п. генерация магн. полей связана с возникновением замкнутых термоэлектрич. токов (термоэдс), причиной появления к-рых являются непараллельные градиенты темп-ры и плотности электронов.

Большую роль в формировании Л. п. играют процессы переноса энергии от зоны поглощения (зона n_кр) в плотные и разреженные слои плазмы. Наиб. важной является электронная теплопроводность, при определ. условиях в лазерных термоядерных мишенях могут быть существенны лучистая и ионная теплопроводность. Процессы электронного переноса энергии в Л. п., создаваемой при больших (q 10¹⁴ Вт/см²) потоках лазерного излучения, существенно отличаются от классической (спитцеровской) электронной теплопроводности. Эти отличия связаны с пространственной неоднородностью плазмы, с влиянием спонтанных магн. полей (замагничивание, анизотропия переноса тепла), с неравновесностью ф-ции распределения электронов, с влиянием плазменных неустойчивостей (в частности, ионно-звуковой неустойчивости) и приводят к существенному снижению теплового потока по сравнению с классическим (от неск. раз до неск. десятков раз). Темп-pa Л. п. растёт с увеличением плотности лазерного потока (Т ) и при совр. уровне лазерной техники относительно легко может быть доведена до уровня, достаточного для протекания термоядерной реакции. Впервые термоядерная реакция, инициированная лучом лазера, была осуществлена в СССР (ФИАН, 1968). При воздействии лазерного излучения на конденсированную мишень при высоких темп-рах (0,1-1 kэВ) зона поглощения и фронт тепловой волны, движущейся в плотные слои вещества, становятся источником мощных ударных волн. Давление за фронтом ударной волны, создаваемой в Л. п. при плотности потока q10¹⁴ Вт/см² и темп-ре 1 кэВ, составляет примерно 10 Мбар.

Применения Л. п. Одно из основных приложений Л. п.- использование в исследованиях лазерного термоядерного синтеза; оно основано на возможности создания в Л. п. высоких темп-р и давлений. Л. п. применяется также в качестве мощного практически точечного рентг. источника для диагностики в физ. экспериментах, рентгенолитографии и т. п.; как источник для получения многозарядных ионов и изучения их спектров. Л. п. используется также в качестве первичной плазмы для заполнения установки в исследованиях по магнитному УТС и в плазмохимич. установках.

Лит.: Райзер Ю. П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974; Афанасьев Ю. В. и др., Взаимодействие мощного лазерного излучения с плазмой, в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 17, М., 1978: Бойко В. А. и др., Рентгеновская спектроскопия лазерной плазмы, в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 27, М., 1980. Е. Г. Гамалий, В. Б. Розанов.

   <<      Предметный указатель      >>