Релятивистская нелинейная лазерно-плазменная физика

На кафедре общей физики и волновых процессов

На фото коллектив лаборатории релятивистской лазерной плазмы. Слева направо в нижнем ряду: Андрей Борисович Савельев-Трофимов (руководитель группы), Дмитрий Пушкарев, Илья Мордвинцев, Роман Волков, Екатерина Митина, Константин Иванов, Иван Цымбалов. Верхний ряд: Дарья Урюпина, Никита Жидовцев, Сергей Шуляпов, Анастасия Сивко, Диана Горлова

Развитие лазерных технологий за последние два десятилетия привело к появлению твердотельных лазерных систем нового поколения, способных генерировать фемтосекундные импульсы с пиковой мощностью до десяти петаватт. Фокусировка такого излучения позволяет достигать интенсивности свыше 1018-1019 Вт/см2 (рекордные значения превышают 1022 Вт/см2). Вещество в столь сильном лазерном поле мгновенно ионизуется (уже на фронте лазерного импульса), формируя горячую плотную неравновесную плазму, а свободные электроны испытывают действие экстремально высоких электромагнитных полей, разгоняясь до энергий, существенно превышающих их энергию покоя. Новая физика, стоящая за сложными процессами взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с релятивистской лазерной плазмой, открыла целый ряд уникальных и перспективных направлений фундаментальных и прикладных исследований, связанных с «настольными» ускорителями заряженных частиц, генерацией излучения в широчайшем диапазоне — от терагерцевого до гамма диапазона, а также ядерной фотоникой, физикой высоких плотностей энергии и др.

Исследования по данным направлениям ведутся на кафедре общей физики и волновых процессов в лаборатории релятивистской лазерной плазмы с использованием уникального тераваттного фемтосекундного лазерного комплекса на кристалле Ti:Sapphire. Отметим, что начало исследований было положено на нашей кафедре еще в конце 80-х годов прошлого века выдающимся ученым профессором С.А. Ахмановым.

В лаборатории проводятся активные экспериментальные исследования по широкому спектру задач в сочетании с проведением численных расчетов для предсказания и осмысления получаемых результатов. Все исследования поддержаны грантами РНФ и РФФИ. Немаловажным фактором является активное взаимодействие с группами теоретиков МГУ, институтов РАН и за рубежом. Наиболее тесно сотрудничество установлено с коллегами из Физического института им. П.Н. Лебедева, Института ядерных исследований, а также ОИВТ РАН, НИЯУ МИФИ, ИПФ РАН, МИЭТ. Международные связи лаборатории осуществляются в первую очередь в рамках различных международных проектов и грантов: лаборатория CELIA в университете г. Бордо (Франция), GSI в г. Дармштадт (Германия), ELI в г. Жегед (Венгрия) и др. Коллектив лаборатории регулярно публикуется в ведущих научных журналах. Опишем вкратце некоторые направления исследований и наиболее яркие результаты последних лет.

1) Компактный ускоритель электронов на основе лазерно-плазменного взаимодействия. В цикле исследований, опубликованных в журналах Physics of Plasmas, Plasma Physics and Controlled Fusion, Physical Review E и др., был развит оригинальный подход к управлению свойствами плазмы, с которой взаимодействует сверхинтенсивный лазерный импульс. В частности, удалось найти режим направленного ускорения электронов лазерным импульсом в плазме подкритической плотности. Преимуществом плазменных ускорителей по сравнению с традиционными является максимально допустимое ускоряющее поле: оно на 3 порядка выше, чем в обычных ускорителях. Это связано с экранирующим действием плазмы — в вакуумных резонаторах ускорителя при подобных полях просто начнется пробой. В основе метода ускорения, исследованного в лаборатории, лежит процесс формирования в плазме так называемого релятивистского канала — световое давление лазерного импульса расталкивает электроны плазмы, создавая канал диаметром в несколько микрон и длиной в десятки или сотни микрометров. При определенных условиях электроны могут быть инжектированы в канал (при распаде плазменных волн) и претерпевают ускоряющее действие поля импульса, а синхронизм с бетатронными колебаниями в канале практически нивелирует тормозящую часть периода поля. В результате формируется коллимированный

пучок электронов с энергией до десятка МэВ, зарядом ~50 пКл и рекордным удельным зарядом в 1-2 нКл/Дж. На рисунке показан экспериментальный пучок электронов с энергией выше 2 МэВ на сцинтилляционной пластине, усредненный по последовательным 1000 выстрелам. В настоящее время мы активно развиваем исследования, связанные с применением полученного пучка для создания источника гамма излучения в задачах ядерной фотоники.

Экспериментальное изображение лазерно-ускоренного пучка электронов с энергией больше 2 МэВ

2) Исследование возможностей лазерно-плазменного рентгеновского источника для задач фазово-контрастной рентгенографии биологических объектов. Одной из важных задач, решаемых в лаборатории, является создание эффективных источников жесткого рентгеновского излучения. В частности, недавно были проведены подробные исследования яркости, спектра, стабильности, пространственной когерентности источника жесткого рентгеновского излучения, получаемого на поверхности металлической мишени при воздействии на неё лазерного импульса с пиковой интенсивностью свыше 1018 Вт/см2. Оценки показывают, что с помощью источника могут быть получены фазово-контрастные изображения в разумной геометрии эксперимента, когда изображение может быть получено за малое время экспонирования. Также нами предложен оригинальный метод компенсации поперечных смещений рентгеновского источника, в основе которого — получение изображений в каждом лазерном выстреле в присутствии в поле детектора маркера, позволяющего отслеживать положение источника. Простая корректировка положения кадра с последующим суммированием позволяет повысить четкость изображения и выявить интерференционные эффекты при их изначальном замытии. С применением нового подхода получены фазово-контрастные изображения тестовых объектов на К-альфа линии меди (8 кэВ) от лазерно-плазменного источника на поверхности медной мишени (интенсивность лазера около 2х1018 Вт/см2 при частоте следования 10 Гц).

Получен контраст на границе объектов около 7%, что разумно согласуется с ожидаемым значением. При этом время экспозиции при расстоянии от плазмы до объекта в 10 см и от объекта до детектора в 44 см составило лишь 100 лазерных импульсов. Показано, что такого экспонирования достаточно для получения фазово-контрастных изображений насекомых (см. ниже). Пространственное разрешение составляет около 15 мкм.

Фазово-контрастное изображение комара, полученное на лазерно-плазменном рентгеновском источнике

3) Термоядерный синтез «на столе». В лазерно-плазменных экспериментах активно применяются также специально подготовленные мишени с структурированной на масштабе длины волны и менее поверхностью (разного рода, наностолбики, пены, поры и т.п.). Такие мишени способствуют повышению поглощения оптического излучения, появлению эффектов усиления локального поля на неоднородностях, росту прогреваемого слоя за счёт более глубокого проникновения пучка в среду с пониженной средней плотностью. Одно из направлений, где применяются такие мишени, связано с получением нейтронного источника на основе ядерных реакций с выходом нейтральных частиц. Формируемый поток быстрых нейтронов из лазерной плазмы благодаря своей сверхмалой длительности, сравнимой с временем воздействия лазерного импульса, находит применение в передовых задачах сверхбыстрой нейтронной диагностики и томографии, ядерной фотоники. В лаборатории предложен оригинальный способ повышения эффективности термоядерной реакции дейтрон-дейтронного (DD) синтеза (сопровождающейся образованием быстрого нейтрона >2.5 МэВи ядра гелия He-3) при воздействии фемтосекундного лазерного импульса сверхвысокой интенсивности (свыше 1018 Вт/см2) на вспененные дейтированные мишени. Применение мишеней с пониженной средней плотностью (менее 0.5 г/см3) позволило увеличить глубину проникновения лазерного излучения в мишень. Переход из поверхностного поглощения в режим объёмного нагрева вещества привёл к росту потока нейтронов из плазмы до нескольких раз по сравнению с обычной дейтерированной CD2 пленкой. Пиковое значение потока нейтронов достигало почти 105 на Джоуль вложенной лазерной энергии, что находится в одном ряду с лучшими мировыми результатами.

4) Множественная управляемая филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения в газовых средах. При распространении мощного фемтосекундного излучения в любой среде происходит самофокусировка пучка, а баланс этого процесса с дефокусировкой вследствие наведенной ионизационной линзы и дифракцией приводит к квазиволноводному распространению лазерного излучения на большие расстояния и формированию протяженных плазменных каналов — филаментов. При условии, что пиковая мощность излучения во много раз превышает критическую мощность самофокусировки, формируются множественные филаменты. Одной из актуальных задач здесь является управление множественной филаментацией, т.е. её параметрами: концентрацией плазмы и энерговкладом в среду, пространственной структурой плазменных каналов, их длиной и числом. В частности, сложение филаментов в условиях дополнительной слабой фокусировки позволяет преодолеть насыщение интенсивности и концентрации плазмы, характерные для одиночных филаментов. Формирующаяся при этом протяжённая область с более высокими значениями интенсивности и концентрацией плазмы получила название суперфиламент, а сам режим распространения излучения назвали суперфиламентацией. Повышение плотности энергии, вложенной в среду, интенсивности излучения и концентрации плазмы в филаментах имеет важное значение для таких потенциальных приложений филаментов, как генерация терагерцевого излучения, удалённая спектроскопия пробоя, улучшение аэродинамических характеристик летательных аппаратов с помощью создания плазменных каналов перед ними и ряда других.

Для управления филаментацией нами развивается подход, в котором фазовый либо амплитудный фронт лазерного пучка модулируется с помощью специальных экранов. Для проведения исследований применен разработанный в лаборатории оригинальный метод регистрации широкополосных ультаразвуковых сигналов филамента. Это позволило исследовать переход от одиночного филамента к суперфиламенту при увеличении мощности пучка. Было показано, что объёмная плотность энергии, вложенной в среду, в случае суперфиламента в 1,5–3 раза выше, а линейная — почти в 10 раз выше, чем в одиночном филаменте. При использовании различных фазовых масок были получены несливающиеся регуляризованные филаменты. В настоящее время в лаборатории запущена атмосферная трасса длиной до 50 м, что открывает совершенно новые возможности для исследований. Результаты работ опубликованы в цикле статей в таких журналах, как New Journal of Physics, Laser Physics Letters, «Письма в ЖЭТФ». Отметим также, что эти экспериментальные исследования проводятся в тесном сотрудничестве с теоретической группой профессора О.Г. Косаревой.

Фотография люминесценции плазмы при слиянии каналов четырёх взаимодействующих филаментов

Наша научная группа почти целиком состоит из бывших и нынешних студентов и аспирантов лаборатории. В лаборатории есть установившиеся традиции, будь то совместные неформальные встречи вне пределов МГУ, выезды на природу, в походы и на научные конференции. Веселый нрав, открытость и общительность позволяют поддерживать дружескую атмосферу и добрые связи с коллегами из других лабораторий и институтов.

Многообразие задач лаборатории даёт также широкие возможности для подготовки новых молодых специалистов-физиков (здесь и курсовые работы 2-го года обучения, а также бакалаврские и магистерские диссертации для студентов). Список экспериментальных задач, с которыми можно ознакомиться на сайте лаборатории, дополняется численным моделированием (метод «частицы в ячейке» активно применяется для моделирования лазерно-плазменного взаимодействия), программированием (ПЛИС, микроконтроллеры, автоматизация управления экспериментом и др.)

Новости о последних публикациях, информация о сотрудниках лаборатории, предстоящих семинарах и встречах, а также контактные данные можно найти на нашей страничке на сайте кафедры общей физики и волновых процессов: https://ofvp.phys.msu.ru/lab/plasmalab/.

С.н.с. К.А. Иванов, аспирант Д. Горлова, м.н.с. Д. Пушкарев и профессор А.Б. Савельев-Трофимов, кафедра общей физики и волновых процессов