Лазерна плазма - Фізична енциклопедія
ЛАЗЕРНА ПЛАЗМА - нестаціонарне плазмове середовище, що утворюється при впливі потужного лазерного випромінювання на речовину. Напр., Л. п. виникає за оптич. пробої в газових середовищах (лазерна іскра); при опроміненні лазером плоскої твердої мішені (факел); в оптичних розрядах, що підтримуються лазерним випромінюванням; у лазерних термоядерних мішенях. Вперше експериментально Л. п. була отримана в лазерній іскрі (1963).
Характерні ознаки Л. п. 1) Наявність сильної взаємодії ел-магн. поля лазерного випромінювання частоти w з електронами та іонами плазми в області е щільністю електронів, що призводить до нерівноважності ф-цій розподілу зарядів. частинок. 2) Існування потоків випромінювання та частинок із зони поглинання в глиб речовини та утворення (при впливі на тверді середовища) області плазми з пеnкр 3) Сильна просторова неоднорідність. 4) Багатокомпонентний іонний склад. 5) Нестаціонарність: час життя Л. п. визначається тривалістю імпульсу, інерцією речовини, часом розширення. Характерний час гідродинамічний. розльоту (L – характерний розмір Л. п., – швидкість розльоту). 6) Випускання теплового випромінювання у широкому спектральному діапазоні. 7) Широкий діапазон вимірюваних параметрів: см
3; 1 кеВ 4 еВ; 10 -11 -3 с; швидкості розльоту до 108 см/с; тиску понад 10 Мбар.
При вплив лазерного випромінювання на середовище Л. п. виникає в тому випадку, якщо щільність потоку випромінювання q (Вт/см 2 ) перевищить деяке граничне значення, що залежить від довжини хвилі лазерного випромінювання і від параметрів середовища. Розрізняють три стадії існування Л. п. Стадія поч. іонізації та оптич. пробою речовини, утворення власне плазми; стадія взаємодії (поглинання, відбиття, рефракції) лазерного випромінювання з плазмою,нагріву до високих темп-р; збільшення ступеня іонізації; стадія розльоту, формування іонних потоків, остигання плазми.
Фізичні явища в Л. п. У всіх різновидах Л. п. поч. стадія утворення плазми пов'язана з оптичним пробоєм, виникнення якого пояснюється двома механізмами: іонізацією електронним ударом з подальшим утворенням лавини електронною і багатофотонною іонізацією. З першим механізмом пов'язаний пробій газів (р1 атм) при q10 11 Вт/см 2 і пробій пари при дії на тверді мішені лазерного випромінювання з q10 8 -10 9 Вт/см 2 .
При щільності потоку q10 11-12 Вт/см 2 в Л. п. розвиваються процеси багаторазової іонізації, яка носить нестаціонарний і нерівноважний характер. Іонний склад плазми зазвичай визначається процесами ударної та радіаційної іонізації та рекомбінації. У щільній плазмі (nе 10 22 см -3 ) іонний склад близький до визначається Саха формулою, в розрідженій плазмі (nе -2 * мкм 2 )] і стає значною при q 10 13 Вт * см -2 мкм 2 . У Л. п. експериментально спостерігаються самофокусування лазерного променя (зменшення його діаметра при поширенні в неоднорідній плазмі) та філаментація (спонтанне виникнення та зростання дрібномасштабних пеоднорідностей поля при спочатку однорідному хвильовому фронті). Причиною цих ефектів є дія пондеромоторних сил ел-магн. поля лазерного випромінювання або неоднорідне нагрівання плазми, що локально змінюють її щільність і коеф. заломлення, отже, що впливають поширення лазерного випромінювання.
Вплив потужної світлової хвилі з частотою на Л. п. призводить до утворення плазмових хвиль - коливань електронної та іонної щільності, які взаємодіють з первинною і розсіяною світловими хвилями, в результаті чого утворюються, зокрема, ел-магн. хвиліз частотою, кратною падаючої лазерної - і т. д. (т. зв. гармоніки). Експериментально зареєстровані гармоніки до 300 Найбільш суттєво Мандельштама - Бріллюена розсіювання на коливаннях іонної щільності та вимушене комбінаційне розсіювання (див. Вимушене розсіювання світла).
Розподіл електронів у Л. п. є нерівноважним, причому частка електронів з енергією 10 kT може бути значно більшою, ніж у розподілі Максвелла (т. зв. надтеплові, або швидкі, електрони). Генерація надтеплових електронів пов'язана з резонансним зростанням поздовжньої (паралельної градієнту щільності та напрямку лазерного променя) компоненти електрич. поля поблизу nкр та дисипацією енергії поля (напр., за допомогою зворотного ефекту Черенкова, див. Електродинаміка рухомих середовищ) в електронну компоненту плазми (див. Лазерний термоядерний синтез), а також з процесами розпаду світлової хвилі на два електронні плазмові коливання (плазмона) . Нерівноважний розподіл електронів по енергії зазвичай описується накладенням двох максвеллівських розподілів - теплових (з темрою kT) та надтеплових (з темп-рою 10 kT).
У Л. п. експериментально виявлені надшвидкі іони, прискорені до енергій в десятки і сотні кеВ самоузгоджених електрич. полем у процесі розльоту Л. п. Кількість швидких іонів зростає зі збільшенням числа надтеплових електронів, а частка останніх зростає зі збільшенням параметра (при 1013 Вт * см -2 * Мкм 2).
При потоках q10 14 Вт/см 2 темп-pa Л. п. досягає 1 кеВ і Л. п. стає потужним джерелом жорсткого рентг. випромінювання, що виникає як наслідок гальмівного випромінювання, так і внаслідок вільно-пов'язаних і пов'язаних переходів (див. рівні енергії). Ефективність випромінювання (відношення випромінюваної енергії до поглиненої)зростає в міру збільшення атомного номера елемента, з якого приготовлена плазма. Експериментально показано, що при дії лазера з = 0,3 мкм і q = 1014 Вт/см 2 на золоту пластину в рентг. випромінювання може бути перетворено до 60% поглиненої енергії з щільністю потоку до 1013 Вт/см 2 . У Л. п. спостерігалися іони з високою кратністю іонізації (до Z=40).
У Л. п. експериментально виявлені надсильні магн. поля завбільшки 1 МГс. генерація магн. полів може бути пов'язана з неоднорідністю пондеромоторних сил, з відмінністю в'язкості електронів та іонів, з плазмовими нестійкостями та різними видами турбулентності та ін.
Л. п. генерація магн. полів пов'язана з виникненням замкнутих термоелектрич. струмів (термоедс), причиною появи яких є непаралельні градієнти температури і щільності електронів.
Велику роль у формуванні Л. п. відіграють процеси перенесення енергії від зони поглинання (зона nкр) у щільні та розріджені шари плазми. наиб. важливою є електронна теплопровідність, при визнач. умовах у лазерних термоядерних мішенях можуть бути суттєві промениста та іонна теплопровідність. Процеси електронного перенесення енергії Л. п., створюваної при великих (q 10 14 Вт/см 2 ) потоках лазерного випромінювання, істотно відрізняються від класичної (спітцерівської) електронної теплопровідності. Ці відмінності пов'язані із просторовою неоднорідністю плазми, із впливом спонтанних магн. полів (замагнічування, анізотропія перенесення тепла), з нерівноважністю ф-ції розподілу електронів, з впливом плазмових нестійкостей (зокрема, іонно-звукової нестійкості) і призводять до істотного зниження теплового потоку в порівнянні з класичним (від дек. раз до дек. десятків разів). Темп-pa Л.п. росте зі збільшенням щільності лазерного потоку (Т) і при суч. На рівні лазерної техніки відносно легко може бути доведена до рівня, достатнього для протікання термоядерної реакції. Вперше термоядерна реакція, ініційована променем лазера, було здійснено СРСР (ФІАН, 1968). При вплив лазерного випромінювання на конденсовану мета при високих темп-рах (0,1-1 kэВ) зона поглинання і фронт теплової хвилі, що рухається в щільні шари речовини, стають джерелом сильних ударних хвиль. Тиск за фронтом ударної хвилі, створюваної Л. п. при щільності потоку q10 14 Вт/см 2 і темп-ре 1 кеВ, становить приблизно 10 Мбар.
Застосування Л. п. Одне з основних додатків Л. п. використання в дослідженнях лазерного термоядерного синтезу; воно засноване на можливості створення в Л. п. високих темп-р та тисків. Л. п. застосовується також як потужний практично точковий рентг. джерела для діагностики у фіз. експериментах, рентгенолітографії тощо; як джерело для отримання багатозарядних іонів та вивчення їх спектрів. Л. п. використовується також як первинна плазма для заповнення установки в дослідженнях з магнітного УТС і в плазмохимич. установках.
Літ.: Райзер Ю. П., Лазерна іскра та поширення розрядів, М., 1974; Афанасьєв Ю. Ст та ін., Взаємодія потужного лазерного випромінювання з плазмою, в кн.: Підсумки науки і техніки. Радіотехніка, т. 17, М., 1978: Бойко Ст А. та ін., Рентгенівська спектроскопія лазерної плазми, в кн.: Підсумки науки і техніки. Радіотехніка, т. 27, М., 1980. Є. Р. Гамалій, Ст Би. Розанов.