Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор работ по тематике диссертации. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований 25
ГЛАВА 2. Экспериментальная база исследований 46
2.1 Лазерная система установки "Мишень" 46
2.2 Камеры взаимодействия и исследуемые мишени 49
2.3 Диагностический комплекс 51
2.4 Методы и средства диагностики спектров рассеяния лазерной плазмы 54
2.5 Калибровка и синхронизация диагностик 60
ГЛАВА 3. Исследование рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в модельных экспериментах по облучению плёночных мишеней .
3.1 Эксперименты по облучению лавсановых плёнок лазерным излучением высокой интенсивности 66
3.2 Эксперименты по облучению лавсановых плёнок, лазерным излучением сравнительно малой интенсивности 79
3.3 Эксперименты с наклонным падением лазерного пучка на мишень 83
3.4 Эксперименты по облучению многоплёночных мишеней 88
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования рассеяния мощного лазерного излучения в малоплотных пористых средах 94
4.1 Эксперименты по облучению малоплотных сред 94
4.2 Обсуждение экспериментальных результатов 104
4.3 Диагностика плазмы на основе спектрально-временных измерений 121
Заключение 125
Список литературы 129
- Методы и средства диагностики спектров рассеяния лазерной плазмы
- Эксперименты по облучению лавсановых плёнок лазерным излучением высокой интенсивности
- Эксперименты с наклонным падением лазерного пучка на мишень
- Диагностика плазмы на основе спектрально-временных измерений
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в малоплотных пористых материалах с различной микроструктурой, применение которых в конструкциях мишеней, используемых в Лазерном Термоядерном Синтезе (ЛТС), разработках рентгеновских лазеров, исследованиях по физике высоких плотностей энергии и изучении свойств и поведения веществ при экстремальных нагрузках, представляется весьма перспективным и открывает новые возможности успешного решения перечисленных проблем. Разработка и применение в качестве основного диагностического метода спектроскопических измерений излучения, рассеиваемого лазерной плазмой в апертуру фокусирующей линзы, позволило не только получить ценную информацию о свойствах и поведении образующейся в пористых материалах плазмы, но и существенно расширить представления о механизмах нелинейных процессов рассеяния и поглощения, реализуемых при взаимодействия мощного лазерного излучения с неоднородной высокотемпературной плазмой.
Начало серьезных целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований, посвященных нелинейным процессам взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой следует отнести к 70-ым годам прошлого столетия, когда бурное развитие получили работы по проблеме Лазерного Термоядерного Синтеза (ЛТС)
[1] Сильный и достаточно сложный отклик плазмы на мощные световые поля приводит к развитию таких нелинейных явлений, как распадные параметрические неустойчивости, вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние (ВКР), генерация гармоник, самофокусировка и филаментация лазерного пучка. О проявлении нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой свидетельствуют специфические особенности спектров излучения, рассеиваемого лазерной плазмой [2]. Для проблемы ЛТС рассеяние и отражение света в плазменной короне у поверхности термоядерной мишени является паразитным эффектом, уменьшающим энерговклад, что ведёт к необходимости увеличения энергии лазерного импульса для достижения эффективного поджига термоядерного топлива. Так например, в зависимости от параметров образовавшейся плазмы и условий облучения за счёт ВРМБ может рассеиваться от нескольких процентов до двадцати процентов энергии падающего на мишень излучения [3]. Наиболее продвинутыми и в лучшей степени удовлетворяющими требованиям проблемы ЛТС лазерными системами на сегодняшний день являются многоканальные твердотельные лазерные системы на неодимовом стекле, генерирующие импульсы инфракрасного (Х,=1,054 мкм) излучения наносекундного диапазона.
В настоящее время в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса сооружается лазерная установка "NIF" с суммарной энергией в 192-х лазерных пучках 1,8 МДж на длине волны 0,35 мкм (третья гармоника фундаментальной частоты неодимового лазера), на которой планируется проведение демонстрационного эксперимента по ЛТС [4]. Плотность светового потока на поверхности мишени будет составлять 1015 Вт/см2, что несколько превышает пороговые значения для развития неустойчивостей вынужденного рассеяния и параметрических неустойчивостей [5], подтвержденные многочисленными экспериментами на установках сравнительно небольшого масштаба (высокие плотности мощности при небольших энергиях лазерного импульса легко достигались путем фокусировки лазерного пучка на малую площадку поверхности мишени). Следует также отметить, что наиболее благоприятным для проблемы ЛТС является классический столкновительный механизм поглощения, поскольку при других механизмах поглощения лазерного излучения, связанных с возбуждением плазменных волн (резонансное поглощение - линейная трансформация электромагнитных волн в плазменные волны вблизи поверхности с критической плотностью псг в плазменной короне или развитие параметрических распадных неустойчивостей в областях плазменной короны с плотностями п=ПсГ и п=псг/4), при затухании волн рождаются электроны с высокими энергиями. Такие электроны способны проникать в центральные части мишени, нагревать их и, тем самым, препятствовать эффективному сжатию термоядерного топлива. Чтобы избежать опасного прогрева мишени быстрыми электронами, максимальная интенсивность греющего лазерного излучения должна быть ограничена условием IX 10 (ВТ/СІГ) мкм [6]. Кроме того, при слишком высоких интенсивностях лазерного излучения, когда осцилляторная скорость электронов в поле световой волны начинает превышать его тепловую скорость, эффективность столкновительного (тормозного) поглощения быстро убывает [7]. Коэффициент тормозного поглощения имеет вид Kv =— - , где (v0CU/vTe[L])2 =(еЕ)2/тео)оТе, a kv- классический коэффициент тормозного поглощения. В этих условиях увеличивается роль резонансного поглощения в области критической плотности. Развитие резонансного поглощения и трёхволновых параметрических неустойчивостей, в которых электромагнитная волна резонансно распадается на две волны, одна из которых - плазменная с высокой фазовой скоростью, приводит, в конечном счете, к образованию нежелательной группы быстрых надтепловых электронов.
В связи с программой ЛТС достаточно подробным расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям подвергались процессы происходящие в короне плоских и сферических мишеней при интенсивностях наносекундных лазерных импульсов в диапазоне 1013-10 Вт/см [8]. Однако, к сожалению, отсутствует заслуживающая доверия база экспериментальных данных и строгие теоретические модели, на основе которых можно было бы разобраться и оценить проявления совокупности, зачастую взаимосвязанных и, как правило, многопараметрических процессов поглощения и рассеяния мощного лазерного излучения неоднородной нестационарной плазмой в конкретных условиях облучения. Тем более, что и в работах по программе ЛТС, и в других исследованиях, касающихся взаимодействия мощных лазерных импульсов с различного рода мишенями, важное место занимает диагностика плазмы, основанная на анализе характеристик рассеиваемого плазмой лазерного излучения на основной частоте соо и частотах гармоник У2щ, 3/2а о и 2ю0, генерируемых в результате комбинационного рассеяния лазерного излучения на резонансно возбуждаемых плазменных волнах в областях с плотностями п=1/4псг и n=ncr. [9]. Данные экспериментов по облучению плоских мишеней наклонно падающим лазерным пучком при интенсивностях импульсов наносекундной длительности в диапазоне 1014-1015 Вт/см2 свидетельствуют, например, о наличии в рассеиваемом плазмой излучении трёх составляющих: зеркально отражаемой, диффузно рассеиваемой и рассеиваемой строго навстречу падающему на мишень пучку [10]. В результате, регистрируемые по различным направлениям спектры рассеяния несут ценную информацию о различных механизмах поглощения и рассеяния, а также о свойствах и поведении плазмы. Анализ пространственной локализации источников, диаграммы направленности и спектрального распределения рассеиваемого плазмой излучения, позволяет судить о процессах взаимодействия в локализованных областях на профиле плотности плазменной короны и таких параметрах плазмы в этих областях как градиент плотности, температура ионов и электронов, скорость разлёта плазмы. Поскольку объектом исследования является неоднородная высокотемпературная плазма, в которой во время эксперимента меняются характерный масштаб неоднородности плотности, температура, скорость расширения плазмы, то для анализа развития процессов взаимодействия и оценки параметров плазмы необходимо применение спектральных диагностик с временным разрешением. Однако, интерпретация спектрально-временных данных сопряжена с определёнными трудностями, главная из которых заключается в многообразии процессов взаимодействия, развивающихся одновременно и влияющих друг на друга, а значит и на спектрально-временную структуру рассеиваемого излучения. Например, на развитие неустойчивостей типа ВРМБ и ВКР могут влиять [11-15]:
- обратное тормозное поглощение;
- резонансное поглощение (линейная трансформация электромагнитной волны в плазменную волну вблизи поверхности с критической плотностью в плазменной короне при наклонном падении на плоскую мишень лазерного пучка р-поляризованного излучения);
- отражение излучения от областей плазмы с критической плотностью;
- самофокусировка и филаментация лазерного пучка;
- неизбежно присутствующие в плазме шумы, в значительной мере зависящие от параметров плазмы и начальной структуры мишени, которые могут служить затравкой для развития различного рода неустойчивостей;
- вторичные процессы распада (слияния) плазменных и ионно-звуковых волн. В случае, когда рассеяние света в исследуемом спектральном диапазоне обусловлено сразу несколькими процессами, то для расшифровки полученных спектральных данных требуется выявление и анализ характерного вклада в формирование спектра, вносимого каждым отдельным процессом. Так например, наличие длинноволнового ("красного") крыла спектральной линии рассеиваемого на основной частоте излучения, регистрируемого в направлении навстречу нормально падающему на плоскую твердую мишень лазерному пучку, может быть связано и с отражением света от области плазмы с критической плотностью, и с ВРМБ, и с переизлучением плазменных волн (распад плазменной волны на ионно-звуковую и электромагнитную) [16] и с комбинационным рассеянием лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуациях [17]; а основная компонента спектра второй гармоники может быть обусловлена слиянием и двух плазменных волн, и плазменной волны с электромагнитной волной [18]. В связи с этим, возникает необходимость в тщательном обдумывании постановки модельных экспериментов и реализации таких условий, при которых число одновременно развивающихся процессов взаимодействия было бы минимальным, что существенно упрощает интерпретацию регистрируемых спектров рассеяния. В модельных экспериментах чаще всего облучаются плоские массивные мишени и тонкие фольги из различных материалов, а условия облучения выбираются такими, чтобы разлет образующейся плазмы соответствовал представлениям одномерной гидродинамической модели. При этом в экспериментальных исследованиях существенно расширяются диагностические возможности и намного упрощаются расчетно-теоретические исследования.
Различные процессы рассеяния локализованы, как правило, в разных областях на профиле плотности плазмы. Проводившиеся исследования процессов рассеяния в плазме можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся эксперименты с заранее подготовленной протяжённой плазмой субкритической плотности (от пст до 0,1 псг). В таких опытах процессы взаимодействия лазерного излучения с плазмой исследуются в условиях, когда характерные пространственные масштабы изменения плотности плазмы намного превышают длину волны лазерного излучения, а участие в изучаемых процессах электромагнитных волн, отражаемых от области плазмы с критической плотностью, исключено. Вторая группа представлена экспериментами по взаимодействию лазерного излучения с расширяющейся плазмой, образующейся при облучении твёрдотельных мишеней, в том числе тонких фольг и пленок В этом случае в плазме распространяются как падающая электромагнитная волна, так и волна, отражённая от областей плазмы с критической плотностью, и исследуемые процессы взаимодействия происходят в поле двух электромагнитных волн. В многочисленных работах экспериментально и теоретически исследовалось влияние на процессы рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в плазменной короне у поверхности облучаемых плоских и сферических мишеней: характерного масштаба неоднородности плотности L (в диапазоне от -10 до 1000 лазерных длин волн); атомного номера материала мишени Z; температур электронов Тс и ионов Т,; интенсивности I (в диапазоне 10-10 Вт/см ) и длительности т лазерного импульса наносекундного и субнаносекундного диапазонов для излучения с разными длинами волн [19,20]. Эксперименты с массивными мишенями твердотельной плотности позволяют обнаружить и идентифицировать характерные особенности структуры на временных развертках спектров и основные тенденции развития процессов рассеяния и поглощения при сравнительно небольших значениях L в условиях квази-стационарных профилей плотности, формируемых при длительностях лазерного импульса наносекундного диапазона.
Весьма интересными и информативными являются эксперименты с "прогорающими" во время лазерного импульса тонкими металлическими фольгами и органическими пленками. Термин "прогорающая" относится к мишеням, толщина которых такова, что время распространения тепловой волны от облучаемой поверхности мишени до ее тыльной поверхности меньше длительности лазерного импульса. В интересующих нас условиях при лазерных импульсах наносекундного диапазона и плотностях светового потока 1013-1015 Вт/см2 в течение лазерного импульса образование высокотемпературной плазмы происходит по всей толщине мишени для металлических фолы и пленок микронной и субмикронной толщины. Если время прогорания мишени много меньше характерного времени гидродинамического разлета образующейся плазмы, то реализуется хорошо известный из исследований по ЛТС вариант "взрывающейся оболочки" [21] с симметричным профилем плотности расширяющейся плазмы. Если же используются мишени такой толщины, что прогорание наступает в самом конце импульсов наносекундной длительности, то в процессе лазерного облучения профиль плотности формируется в основном за счет плазмы, расширяющейся навстречу лазерному пучку. Таким образом, привлекательной особенностью применения тонких мишеней, является возможность проведения модельных экспериментов, в которых за счёт разлёта плазмы, профиль плотности проходит стадии эволюции, в которых присутствует плазма с определённой максимальной плотностью, что позволяет исследовать процессы, локализованные в разных областях на профиле плотности, а также позволяет выявить изменения в спектрах, связанные с наличием отражённых волн (как плазменных, так и электромагнитных). В экспериментальной практике в качестве индикаторов наличия в плазме областей соответствующей плотности довольно часто используют регистрируемое свечение гармоник [22]. Например, исчезновение ранее регистрировавшейся в спектре рассеиваемого излучения основной спектральной компоненты второй гармоники, обусловленной слиянием падающей электромагнитной волны с плазменной либо слиянием двух плазменных волны, возбуждаемых в неоднородной плазме в области с критической плотностью за счёт процесса линейной трансформации лазерного излучения, указывает на то, что максимальная плотность плазмы на пути распространения лазерного пучка стала ниже критического значения. А исчезновение гармоники 3/2со0 в спектре рассеиваемого излучения свидетельствует о дальнейшем уменьшении максимальной плотности плазмы до значений ниже четверти критической плотности. Сказанное выше реализуется в условиях, типичных для экспериментов по облучению субмикронных металлических фольг и органических пленок мощными лазерными импульсами наносекундного диапазона, когда прогорание мишени и образование в дальнейшем расширяющейся плазмы происходит в начале лазерного импульса [23,24] (следует, однако, учитывать влияние целого ряда других процессов, способствующих подавлению генерации гармоник в неоднородной плазме и затрудняющих однозначную интерпретацию наблюдаемых исчезновений гармоник в регистрируемых спектрах рассеяния).
Остановимся теперь на специфических особенностях процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в мишенях из пористых материалов с малой средней плотностью, использование которых открывает перспективные возможности формирования плазмы с качественно новыми характеристиками [25,26]. Варьируя структуру, среднюю плотность и толщину пористых мишеней можно реализовать объемное поглощение лазерного излучения. При этом будет существенно увеличена доля энергии лазерного импульса, конвертируемая во внутреннюю энергию создаваемой внутри облучаемого образца плазмы, по сравнению с той энергией, которая приходится на гидродинамическое расширение плазмы навстречу лазерному пучку и преобладает при облучении твердотельных мишеней. В принципе, появляется возможность формирования достаточно протяженных областей квазиоднородной высокотемпературной плазмы сравнительно высокой плотности или, по крайней мере, возможность независимо управлять плотностью и температурой плазмы в достаточно широких пределах [27], что чрезвычайно трудно реализовать при облучении обычных мишеней из материалов твердотельной плотности, когда плотность и температура в образующейся плазменной короне над облучаемой поверхностью меняются самосогласованно. Плазма, создаваемая при лазерном облучении пористых мишеней является новым достаточно сложным объектом привлекающим в последнее время все больше исследователей [28-30]. В условиях пористого вещества поглощение и рассеяние мощного лазерного излучения, механизмы переноса энергии и гидродинамические процессы имеют весьма специфический характер и в существенной степени определяются микроструктурой используемого материала. Целенаправленные исследования влияния микроструктуры пористых мишеней на спектрально-временные характеристики излучения рассеиваемого плазмой, образующейся при лазерном облучении малоплотных пористых сред, ни в других отечественных, ни в зарубежных лабораториях не проводились.
Оригинальный экспериментальный подход, реализованный в рамках данной диссертационной работы, заключается в предварительном проведении модельных экспериментов, в которых облучались лавсановые пленки различной толщины (0,8-20 мкм) и каскадные мишени из нескольких равноудаленных друг от друга лавсановых пленок, расположенных вдоль направления распространения лазерного пучка. Варьируя толщину пленок, расстояние между ними и интенсивность лазерных импульсов, подробно изучались спектрально-временные характеристики рассеиваемого излучения и идентифицировались реализуемые механизмы поглощения, рассеяния и генерации гармоник в условиях, позволяющих проводить численные гидродинамические расчеты по программам, основанным на хорошо проверенных теоретических моделях. Выбор лавсановых пленок в качестве моделей элементов структуры пористых мишеней обусловлен близостью их химического состава к составу используемых в экспериментах гетерогенных малоплотных сред, а набор равноудаленных друг от друга лавсановых пленок образует регулярную структуру элементов каскадной мишени, среднюю плотность которой можно менять контролируемым образом. На следующем этапе экспериментальных работ исследовалось взаимодействие лазерных импульсов с малоплотными пористыми материалами различной микроструктуры (arap-[Ci2Hi809]n, вспененный полистирол-[СН]П), и интерпретация полученных данных проводилась на основе их сопоставления с результатами модельных экспериментов. Важным практическим результатом этой работы можно считать разработку метода определения характерных времен прогорания тонких плёнок и гомогенизации образующейся плазмы в мишенях из малоплотньгх пористых материалов на основе анализа временных развёрток спектров излучения, рассеиваемого на основной частоте лазера и частоте второй гармоники. Полученные в работе данные позволяют дать рекомендации относительно выбора структуры, средней плотности и размеров пористого материала, а также условий облучения, наиболее подходящих для лазерных мишеней различных применений. Анализ полученных в работе данных способствовал существенному расширению наших представлений о процессах взаимодействия мощного лазерного излучения с неоднородной плазмой.
Выполнение намеченной программы экспериментальных исследований потребовало развития диагностических методов, основанных на регистрации излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте облучающего мишень лазерного пучка 1юо и частотах гармоник 2(0о и 3/2(Оо с высоким спектральным и временным разрешением. В работе одновременно использовались традиционные оптические и рентгеновские методики, обеспечиваемые диагностическим комплексом установки "Мишень" [31]. Для анализа спектральных экспериментальных данных применялись специальные и общедоступные программные средства математической обработки.
Диссертационная работа выполнялась на экспериментальной установке "Мишень", включающей двухканальную импульсную лазерную систему на неодимовом фосфатном стекле. Выходные параметры основного пучка лазерной системы: длина волны излучения Х= 1,055 мкм; длительность импульса т = 3 не; энергия импульса Е 100 Дж. Средняя плотность мощности излучения в фокальном пятне диаметром 200-250 мкм на мишени варьировалась в разных выстрелах в диапазоне 1012-3 1014 Вт/см2.
Научная новизна и практическая значимость представленных исследований.
Новый вид плазменного объекта исследования - плазма, полученная при облучении мощным лазерным излучением мишеней из малоплотных пористых материалов, является новым и сложным объектом, и комплексное исследование процессов рассеяния и поглощения на основе спектрально-временного анализа рассеянного лазерного излучения и генерируемых в плазме гармоник 2со0 и 3/2о)о проводиться впервые. Оригинальность подхода данной работы заключается в сранительном анализе спектрально-временных данных, полученных при облучении малоплотных пористых сред различной структуры с данными, накопленными в модельных эксперментах по облучению плёночных мишеней. Тщательный подход в применении диагностических средств, а именно, настройка диагностических каналов строго на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, и контроль за условиями облучения (форма импульса, спектральный состав) в каждой серии экспериментов, позволили получить новые результаты по процессам рассеяния и поглощения в высокотемпературной плазме околокритической плотности. Применявшиеся в данной работе методы настройки и синхронизации диагностических каналов являются необходимыми для получения надёжных экспериментальных данных, позволяющих анализировать динамику процессов взаимодействия. Зарегистрированные в одном выстреле временные развёртки спектров излучения, рассеянного назад в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте и частотах гармоник 2щ и 3/2COQ составляют основной набор экспериментальных данных, полученных в данной работе. Стабильность и высокое качество используемых методов диагностики, позволило обнаружить наличие характерных структур спектрально-временных распределений рассеянного излучения на частоте Ісоо в экспериментах по облучению, как плоских твёрдотельных мишеней, так и мишеней из малоплотных пористых материалов. Анализ спектрально-временных данных и их сопоставление с результатами других методик позволил идентифицировать процессы рассеяния, разыгрывающиеся в области плазмы околокритической плотности. Показано, что в зависимости от условий эксперимента определяющую роль могут играть: вынужденное рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), отражение лазерного излучения, процесс переизлучения плазменных волн (распад ленгмюровской волны на электромагнитную и ионно-звуковую), а также комбинационное рассеяние лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуациях. В экспериментах с малоплотными пористыми средами впервые обнаружено, что локализация на профиле плотности плазмы процессов, приводящих к рассеянию лазерного излучения, зависит от структуры и средней плотности материала мишени. Удалось также обнаружить, что в плазме пористых мишеней достаточно долго могут существовать области с плотностями, превышающими критическую плотность, что расходится с существовавшими ранее теоретическими предсказаниями [32] о том, что стадия гомогенизации плазмы в условиях нашего эксперимента для мишеней из агар должна завершиться за -300-500 пс.
Разработанные и апробированные диагностические методы представляют собой эффективное средство диагностики процессов взаимодействия лазерного ислучения с протяжённой плазмой, образующейся при облучении пористых сред. Развитые в работе диагностические методы представляют интерес и с точки зрения возможности их применения для диагностики плазмы с плотностью, близкой к По, а также могут быть эффективно использованы для диагностики прогорания тонких фольг (плёнок) и гомогенизации плазмы в каскадных мишенях и тонких слоев малоплотных пористых материалов. Все перечисленные аспекты делают разработанные методики достаточно перспективными при разработке элементов конструкций многослойных мишеней для крупномасштабных экспериментов по ЛТС.
Экспериментальные результаты, представленные в работе, могут быть использованы для проверки теоретических моделей, отработки численных расчётов и экспериментального моделирования быстропротекающих гидродинамических процессов в высокотемпературной плазме, полученной при облучении мишеней из малоплотных пористых сред.
Целью работы явилось исследование процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения при облучении малоплотных пористых сред с различной микроструктурой,
В первой главе представлен обзор работ, посвященных вопросам взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами и генерации гармоник лазерного излучения в высокотемпературной неоднородной плазме. Проведён анализ экспериментальных результатов различных научных коллективов, занимавшихся исследованием характеристик рассеиваемого плазмой излучения и генерируемых в плазме гармоник лазерного излучения. Обсуждаются вопросы диагностики лазерной плазмы на основе характеристик рассеиваемого плазмой излучения. Формулируются задачи и цели диссертационной работы.
Методы и средства диагностики спектров рассеяния лазерной плазмы
Новый вид плазменного объекта исследования - плазма, полученная при облучении мощным лазерным излучением мишеней из малоплотных пористых материалов, является новым и сложным объектом, и комплексное исследование процессов рассеяния и поглощения на основе спектрально-временного анализа рассеянного лазерного излучения и генерируемых в плазме гармоник 2со0 и 3/2о)о проводиться впервые. Оригинальность подхода данной работы заключается в сранительном анализе спектрально-временных данных, полученных при облучении малоплотных пористых сред различной структуры с данными, накопленными в модельных эксперментах по облучению плёночных мишеней. Тщательный подход в применении диагностических средств, а именно, настройка диагностических каналов строго на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, и контроль за условиями облучения (форма импульса, спектральный состав) в каждой серии экспериментов, позволили получить новые результаты по процессам рассеяния и поглощения в высокотемпературной плазме околокритической плотности. Применявшиеся в данной работе методы настройки и синхронизации диагностических каналов являются необходимыми для получения надёжных экспериментальных данных, позволяющих анализировать динамику процессов взаимодействия. Зарегистрированные в одном выстреле временные развёртки спектров излучения, рассеянного назад в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте и частотах гармоник 2щ и 3/2COQ составляют основной набор экспериментальных данных, полученных в данной работе. Стабильность и высокое качество используемых методов диагностики, позволило обнаружить наличие характерных структур спектрально-временных распределений рассеянного излучения на частоте Ісоо в экспериментах по облучению, как плоских твёрдотельных мишеней, так и мишеней из малоплотных пористых материалов. Анализ спектрально-временных данных и их сопоставление с результатами других методик позволил идентифицировать процессы рассеяния, разыгрывающиеся в области плазмы околокритической плотности. Показано, что в зависимости от условий эксперимента определяющую роль могут играть: вынужденное рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), отражение лазерного излучения, процесс переизлучения плазменных волн (распад ленгмюровской волны на электромагнитную и ионно-звуковую), а также комбинационное рассеяние лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуациях. В экспериментах с малоплотными пористыми средами впервые обнаружено, что локализация на профиле плотности плазмы процессов, приводящих к рассеянию лазерного излучения, зависит от структуры и средней плотности материала мишени. Удалось также обнаружить, что в плазме пористых мишеней достаточно долго могут существовать области с плотностями, превышающими критическую плотность, что расходится с существовавшими ранее теоретическими предсказаниями [32] о том, что стадия гомогенизации плазмы в условиях нашего эксперимента для мишеней из агар должна завершиться за -300-500 пс.
Разработанные и апробированные диагностические методы представляют собой эффективное средство диагностики процессов взаимодействия лазерного ислучения с протяжённой плазмой, образующейся при облучении пористых сред. Развитые в работе диагностические методы представляют интерес и с точки зрения возможности их применения для диагностики плазмы с плотностью, близкой к По, а также могут быть эффективно использованы для диагностики прогорания тонких фольг (плёнок) и гомогенизации плазмы в каскадных мишенях и тонких слоев малоплотных пористых материалов. Все перечисленные аспекты делают разработанные методики достаточно перспективными при разработке элементов конструкций многослойных мишеней для крупномасштабных экспериментов по ЛТС.
Экспериментальные результаты, представленные в работе, могут быть использованы для проверки теоретических моделей, отработки численных расчётов и экспериментального моделирования быстропротекающих гидродинамических процессов в высокотемпературной плазме, полученной при облучении мишеней из малоплотных пористых сред.
Целью работы явилось исследование процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения при облучении малоплотных пористых сред с различной микроструктурой,
В первой главе представлен обзор работ, посвященных вопросам взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами и генерации гармоник лазерного излучения в высокотемпературной неоднородной плазме. Проведён анализ экспериментальных результатов различных научных коллективов, занимавшихся исследованием характеристик рассеиваемого плазмой излучения и генерируемых в плазме гармоник лазерного излучения. Обсуждаются вопросы диагностики лазерной плазмы на основе характеристик рассеиваемого плазмой излучения. Формулируются задачи и цели диссертационной работы.
Эксперименты по облучению лавсановых плёнок лазерным излучением высокой интенсивности
Взаимодействие мощного лазерного излучения с мишенями малой плотности из пористых материалов. Одной из возможностей смягчить высокие требования к параметрам лазерного излучения в программе по реализации ЛТС является применение в качестве компонент термоядерных мишеней, малоплотных сред. Нанесение на поверхность сферической термоядерной мишени соответствующим образом подобранного слоя вещества пониженной плотности позволяет выравнять неоднородности абляционного давления, обусловленные неравномерностью лазерного облучения, в схеме с прямым облучением [33,34]. В работах [35,36] был предложен новый перспективный тип мишени для ЛТС. В этой мишени, получившей название "Лазерный парник" поглощение лазерного излучения происходит в объёме достаточно толстого слоя вещества с малой плотностью, наносимого на поверхность сферической капсулы с термоядерным топливом. При плотности образующейся плазмы меньшей критического значения и толщине слоя порядка характерной длины обратного тормозного поглощения, можно ожидать существенного выравнивания сжимающего термоядерное топливо давления, при облучении мишеней не очень большим (2-8) числом лазерных пучков. Использование пористых сред в конструкциях мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами, представляет интерес и для экспериментов по моделированию астрофизических явлений и объектов в лабораторных условиях [30], а также для разработок мощных лазерно-плазменных источников когерентного и некогеретного рентгеновского излучения [37]. Выбор оптимальных вариантов применения пористых материалов пониженной плотности в конструкциях мишеней различного применения может быть сделан лишь на основании детального изучения процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с такими специфическими средами.
Варьируя структуру, среднюю плотность и толщину пористых мишеней можно реализовывать объемное поглощение лазерного излучения, существенно увеличивая долю энергии лазерного импульса, конвертируемую во внутреннюю энергию создаваемой в облучаемом образце плазмы, по сравнению с той энергией, которая приходится на гидродинамическое расширение плазмы навстречу лазерному пучку. При этом появляется возможность формирования достаточно протяженных областей квази-однородной высокотемпературной плазмы сравнительно высокой плотности или, по крайней мере, независимо управлять плотностью и температурой плазмы в достаточно широких пределах [27]. Напомним, что при облучении мишеней из материалов твердотельной плотности, плотность и температура в образующейся плазменной короне над облучаемой поверхностью меняются самосогласованно. Плазма, создаваемая при лазерном облучении пористых мишеней является новым достаточно сложным объектом привлекающим в последнее время все больше исследователей [28-30]. В условиях пористого вещества, поглощение и рассеяние мощного лазерного излучения, механизмы переноса энергии и гидродинамические процессы имеют весьма специфический характер и в существенной степени определяются микроструктурой используемого материала.
Структурными элементами используемых малоплотных органических материалов являются волокна различной длины и пленки различной формы твердотельной плотности, имеющие микронную и субмикронную толщину и образующие пористую структуру. Так, используемый в нашей лаборатории агар ([CnHigOJn) имеет беспорядочную волоконно-пленочную структуру с открытыми порами, а вспененный полистирол ([СН]П) имеет квази-регулярную пленочно-ячеистую структуру с замкнутыми порами [27]. Взаимодействие мощного лазерного излучения с тонкими пленками и нитями приводит к образованию плазмы у каждого подвергающегося облучению структурного элемента пористой среды. Потоки расширяющейся плазмы от отдельных элементов, сталкиваясь и взаимодействуя между собой, заполняют поры и ячейки среды. В результате, в пористой среде формируется протяженная область высокотемпературной плазмы, размеры которой в направлении распространения лазерного пучка зависят от величины средней плотности облучаемой мишени. Таким образом, в области поглощения и рассеяния лазерного излучения в пористом материале в течение лазерного импульса могут присутствовать и остатки твёрдотельных структурных элементов, и взаимодействующие друг с другом (или с еще непрогретым веществом) плазменные потоков. Локальные флуктуации плотности в такой плазме могут быть достаточно велики, чтобы служить эффективной затравкой для таких, например, неустойчивостей, как ВРМБ [38]. Естественно предположить, что после испарения всех твёрдотельных элементов в области взаимодействия флуктуации в плазме будут затухать, и плазма со временем станет в достаточной степени однородной. Представляется крайне важным исследование такого процесса, называемого рядом исследователей процессом гомогенизации плазмы [32], в облучаемых импульсным лазерным пучком пористых мишенях с различной микроструктурой при разных значениях средней плотности (внимания заслуживают такие параметры процесса, как характерное время гомогенизации плазмы и плотность реализуемой квазиоднородной плазмы). Возможность создания протяжённых плазм при облучении малоплотных, пористых материалов была экспериментально реализована в работах [39,40]. В нашей лаборатории [40] при облучении лазерными импульсами с интенсивностью -10 Вт/см мишеней пониженной плотности из агара ([Сі2Н1809]п) и вспененного полистирола ([СН]П) получены горячие плазмы различной протяжённости (вплоть до -600 мкм). Было показано, что при облучении агаровых мишеней с плотностью 2 мг/см3 и 10 мг/см3, лазерным импульсом с плотностью мощности на мишени -10й Вт/см2, кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, в процессе столкновения потоков эффективно трансформируется в тепловую энергию ионов: интегральные во времени измерения показали, что температура ионов Тх плазмы (1,4-1,8 кэВ) в 1,5-3 раза превышает интегральную температуру электронов [41,42].
Эксперименты с наклонным падением лазерного пучка на мишень
Анализ результатов, полученных при спектрально-временных исследованиях излучения, рассеянного на основной частоте высокотемпературной плазмой, нагреваемой лазерными импульсами наносекундной длительности (длины волн от 0,35 мкм до 1 мкм), в работах представленного обзора (а также во множестве других работ) приводит к следующим обобщающим выводам: 1. Уровень рассеяния в экспериментах с разного рода твёрдотельными мишенями не превышает как правило 10%. 2. "Синяя" составляющая спектра присутствует в спектре рассеяния 1 90 только при наблюдении в направлении навстречу лазерному пучку, если интенсивность лазерного импульса превышает 10 Вт/см . 3. "Красная" часть спектра наблюдается и при нормальном, и при наклонном падении лазерного пучка при регистрации в направлении как навстречу лазерному пучку так и под другими углами. Излучение этой части спектрального распределения в значительной степени деполяризовано, тогда как поляризация "синей" части спектра рассеяния ltoo совпадает с поляризацией падающего на мишень лазерного пучка. 4. При наклонном падении лазерного пучка на плоскую мишень в зеркальном направлении наблюдается сравнительно узкая (единицы А) линия на несмещённой частоте. 5. Осцилляции интенсивности рассеянного излучения наблюдаются как на основной частоте лазера так и на частоте гармоники 2G O. 6. Ширина "красной" составляющей спектра рассеиваемого навстречу лазерному пучку излучения при плотности мощности, превышающей 1013 Вт/см2, составляет 10-20 ангстрем, что значительно превышает её ширину при регистрации рассеиваемого излучения в зеркальном направлении. 7. Наблюдается увеличение интенсивности "красной" составляющей спектра щ с уменьшением характерного пространственного масштаба градиента плотности плазмы. Для "синей" составляющей имеет место обратная зависимость. 8. Отсутствует удовлетворительное объяснение наблюдаемых величин спектральной ширины и сдвига "красной" составляющей спектра рассеяния на основной частоте лазера. Генерация гармоник при взаимодействии мощного лазерного излучения с неоднородной плазмой. Первые работы по генерации гармоник появились в 60-х годах [76,77]. В работе 1969г. [78], посвященной механизмам генерации гармоники 2юо, был предложен механизм генерации гармоники 2а 0 при распространении лазерного излучения в неоднородной плазме. В этой работе эффект генерации гармоники 2щ связывают с возбуждением в лазерной плазме интенсивных электронных ленгмюровских колебаний (/), возникающих благодаря линейной трансформации {t- l) [79] лазерного излучения (/), в области, где частота плазменных волн оказывается близкой к частоте падающего на плазму излучения. Последующее взаимодействие плазменных колебаний либо друг с другом (/+/) либо комбинационное расеяние электромагнитных волн на плазменных волнах приводит к генерации в плазме излучения на удвоенной частоте лазерного света. Возможен также и другой механизм генерации гармоники 2со0, связанный с развитием ионно-акустической распадной неустойчивости [80]. Из работы [81] мы знаем, что, если фокусировка лазерного пучка осуществляется таким образом, что в нём отсутствуют р-поляризованные лучи, падающие под углами меньшими Э (где 9 определяется из условия sin9=0,46A/L), то образование плазменных волн и генерация гармоники 2со0 за счёт линейной трансформации не происходит. Согласно [78], излучение гармоники 2соо имеет ту же поляризацию, что и волна накачки, и генерируется зеркально по отношению к падающей волне. Как показано в [82,83], частота со гармоники, излучаемой в направлении п, определяется равенством и=2ю0-2(к-кп,и) где к=ш/с, и- скорость движения области п. Из этой формулы, видно, что частота гармоники смещена в "синюю" или "красную" области спектра в зависимости от того, движется точка критической плотности навстречу лазерному лучу (и 0) или от него (и 0), Максимальная величина такого смещения достигается при движении точки п вдоль направления неоднородности плазмы и даётся соотношением Дй)=4юои/с.
Спектральная ширина 52ю излучения гармоники 2щ в любой момент времени, определяется спектральной шириной волны накачки: 82со=26(Оо. Однако в течение времени действия лазерного импульса скорость движения точки п изменяется. Это изменение скорости, характеризуемое величиной и, может приводить к уширению спектра гармоники в интегральных по времени измерениях (со=2о)о+4и/с СОо).
Генерация гармоники 2w0 как отмечалось выше также возможна за счёт параметрической неустойчивости плазмы. В работе [84] описана возможность изменения частоты электромагнитной волны в плазме, обусловленная параметрическими эффектами. В узкой области вблизи псг параметрическая неустойчивость приводит к возбуждению двух типов ленгмюровских волн: длинноволновых, возникающих в непосредственной окрестности области критической плотности, и коротковолновых, возникающих при достаточно большом значении 0 в области прозрачности волны накачки x/L sin20. При этом величина волнового вектора коротковолновых ленгмюровских волн определяется условием Зт0е к =x/L (rDe- дебаевский радиус). Если при этом x/L окажется слишком большим, то генерация плазмонов станет невозможной из-за затухания Ландау. При параметрическом распаде tf+s ленгмюровские волны будут иметь частоту, меньшую частоты накачки на величину cdia krDc=coia (x/3L)I/2 3 1/2,fflia sin6 (где м1а - частота ионного звука). Слияние таких коротковолновых плазмонов друг с другом (1+1-И), либо комбинационное рассеяние электромагнитной волны на плазменной волне (l+t- t) приведёт к генерации излучения смещённого по частоте относительно значения 2щ на величину 2со,а
Диагностика плазмы на основе спектрально-временных измерений
Лазерная система установки "Мишень" представляет собой многокаскадный двухканальный лазер на фосфатном неодимовом стекле. Оптическая схема лазера представлена на Рис. 2.1.1 Основными элементами являются: задающий генератор (1) с предусилителями (2); система временного формирования импульса (3); система пространственного формирования пучка (4); каскады предварительного усиления (5); магнито - оптический затвор Фарадея (6) для защиты каскадов предварительного усиления от отражаемого мишенью излучения; фототропные затворы (7); оконечные каскады усиления (8); вакуумные пространственные фильтры (9).
Энергия моноимпульса длительностью по полувысоте 20 не на выходе задающего генератора с пассивной модуляцией добротности составляет 30 - 40 мДж (на длине волны излучения 1,054 мкм). Для модуляции добротности используется фототропный затвор, изготовленный из кристалла LiF с начальным пропусканием 40%.
После предварительного усиления генерируемое излучение поступает в систему временного формирования импульса. Здесь из моноимпульса при помощи электро-оптических затворов Поккельса "вырезаются" два световых импульса наносекундной и субнаносекундной длительности. Деление пучка производится плоскопараллельной пластиной в точке В (см. Рис. 2.1.1). Каждый из вновь образованных пучков направляется в систему из двух последовательно расположенных затворов Поккельса (для повышения контраста), причем управление всеми четырьмя затворами производится от одного и того же разрядника высокого давления с лазерным поджигом. Таким образом, на выходе из системы временного формирования имеется два пучка с жестко синхронизованными световыми импульсами, длительности которых составляют 3 не (основной импульс) и 0,3 не (диагностический). Каждый из пучков после прохождения системы формирования пространственной структуры направляется в независимый тракт усиления.
Система пространственного формирования пучка предназначена для обеспечения требуемого распределения интенсивности в сечении лазерного пучка и для устранения искажений лазерного пучка, возникающих в задающей части при прохождении через оптические элементы. Создаётся такое радиальное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка, которое при дальнейшем прохождении через оптические усилители с нарастающим сечением активных элементов позволяет получить в рабочем режиме гладкое распределение с высоким коэффициентом заполнения выходной апертуры. В усилительных каналах лазерной системы установки "Мишень" используются цилиндрические активные элементы с диаметром 15, 20, 30, 45, 75 и 100 мм.
Подавление самофокусировки осуществляется с помощью пространственных фильтров, а для предотвращения самовозбуждения применяются фототропные затворы, изготовленные из кристаллов LiF(F2 ).
На выходе из усилительной системы диагностический пучок преобразуется во вторую гармонику (X = 0,53 мкм) с помощью кристалла KDP 2-го типа с апертурой 100 мм. В рабочем режиме коэффициент преобразования излучения достигает 60%. После прохождения оконечных каскадов усиления основной лазерный пучок проходит через вакуумный пространственный фильтр, изображение диафрагмы которого строится в фокальной плоскости фокусирующей линзы на поверхности мишени в центре сферической камеры взаимодействия.
Для проведения исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом на установке "Мишень" используется две вакуумные камеры. В одной из камер сосредоточен набор диагностических средств, обеспечивающих регистрацию рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Другая предназначена, в основном, для измерений эмиссии плазмы в видимом диапазоне длин волн с высоким пространственным, временным, и спектральным разрешением, многокадрового теневого фотографирования с использованием для зондирования плазмы диагностического лазерного пучка.
