Лазерная плазма. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерная плазма - нестационарная плазменная среда, образующаяся при воздействии мощного лазерного излучения на вещество. Напр., Лазерная плазма 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 лазерной плазмы. 1) Наличие сильного взаимодействия эл--магн. поля лазерного излучения частоты w с электронами и ионами плазмы в области е плотностью электронов

приводящего к неравновесности функций 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_е

n_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<T

10⁴ 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 температур, 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 (р

1 атм) при q

10¹¹ Вт/см² и пробой паров при воздействии на твёрдые мишени лазерного излучения с q

10⁸-10⁹ Вт/см².

При плотностях потока q

10^11-12 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 температурой

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 q

10¹⁴ 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 температуры 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 функции 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 температурах (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 q

10¹⁴ Вт/см² и температуре

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 температур 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.

Литература по лазерной плазме

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.