CC BY
21
УДК 533.9...16
ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ В ПЛАЗМЕ ТАЦ МИШЕНЕЙ
А. А. Фроня1'2, А. Т. Саакян1, В.Н. Пузырев1, А. Н. Стародуб1, Т. Т. Кондратенко1, Н.Г. Борисенко1
В работе представлены результаты экспериментов по изучению генерации второй гармоники в плазме малоплотных мишеней из триацетата целлюлозы. Мишени облучались излучением неодимового лазера на стекле на основной частоте наносекундной длительности. Получены данные по временной развертке генерируемой в плазме второй гармоники. Выявлены особенности спектрального и временного распределения излучения второй гармоники: с увеличением плотности в спектре появляется максимум, а в зависимости интенсивности от времени появляются два максимума.
Ключевые слова: лазерная плазма, излучение плазмы, вторая гармоника, малоплотные материалы.
Введение. После создания лазеров высокой мощности началось исследование широкого спектра явлений, возникающих при взаимодействии излучения этих лазеров с разнообразными типами мишеней и сред. Одним из направлений является лазерная плазма - пороговое явление, происходящее вблизи поверхности мишени, облучаемой сфокусированным лазерным лучом с интенсивностью > 109 Вт/см2. В настоящее время в мире существует ряд лазерных установок для изучения высокотемпературной лазерной плазмы: NIF (США), PALS (Чехия), LULI, LMJ (Франция), GEKKO-XII (Япония), Канал-2, Искра-5, Луч, Мишень (Россия) и др. Исследования на таких установках приобретают особую актуальность, поскольку позволяют изучать фундаментальные свойства вещества в экстремальных условиях, и нацелены на решение таких прикладных задач как инициирование ядерного синтеза, создание источников рентгеновского излучения, ускорение электронов и тяжелых ионов [1-5].
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
2 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31; e-mail: aafronya@mephi.ru.
Свойства и характеристики плазмы определяются условиями взаимодействия лазерного излучения с мишенью, длиной волны и спектральной шириной излучения лазера, формой и длительностью его импульса, модовым составом, размером пятна фокусировки, материалом, состоянием облучаемой мишени, и пр.
В последние десятилетия интенсивно изучаются свойства плазмы малоплотных материалов различной структуры. Малоплотные материалы представляют собой перспективный материал по таким направлениям исследований, как эффективное сглаживание неоднородностей интенсивности лазерного пучка, задачи гидродинамики многослойных малоплотных мишеней, изучение уравнения состояния вещества, астрофизические исследования, исследования по ЛТС [6-8].
В настоящее время используют различные виды малоплотных мишеней, отличающиеся по материалу, плотности мишени, структуре, а также многослойные малоплотные структуры с добавками частиц металлов и без, и др. [9].
В работе представлены результаты экспериментов по взаимодействию наносекунд-ного лазерного излучения с малоплотными мишенями. Изучены временные особенности генерации второй гармоники в плазме таких мишеней.
Экспериментальная установка. Цикл экспериментов по взаимодействию лазерного излучения с малоплотными мишенями был выполнен на установке "Канал-2" [10] в ОКРФ ФИАН. Уникальность лазера заключается в возможности управления когерентностью лазерного излучения, что дает преимущества по сравнению с обычными схемами лазеров [10]. Оптическая схема лазера позволяет без применения пространственной фильтрации сформировать выходное излучение с требуемыми характеристиками и исключить деградацию лазерного пучка: самофокусировку, филаментацию и т.п.
В экспериментах использовалось лазерное излучение с большим числом поперечных мод в пучке ~1000 и широким спектром излучения - 24 А на полувысоте. Длительность импульса лазерного излучения составляла 2.5 нс по полувысоте, длина волны излучения - 1060 нм, расходимость излучения - 10-3 рад, размер пятна фокусировки - 350 мкм. В качестве мишеней использовались малоплотные микроструктурированные полимерные аэрогели из триацетата целлюлозы (ТАЦ) с различной плотностью и толщиной [8].
Экспериментальные результаты. Важным моментом в проводимых экспериментах было полное разрушение малоплотных мишеней при взаимодействии с лазерным излучением интенсивностью 1012 — 1014 Вт/см2. В результате отсутствовала возможность исследования кратеров. Для длины волны лазерного излучения 1.06 мкм величина кри-
тической плотности плазмы рс составляет ~3 мг/см3. Плотность исследуемых мишеней составляла ~0.75пс, ~17пс, ~433пс, где пс - критическая плотность электронов. В табл. 1 представлены данные по обсуждаемым мишеням.
Таблица 1
Данные мишеней
Мишень Плотность, мг/см3 Толщина, мкм Энергия лазера, Дж
ТАЦ 2 460 34
ТАЦ 50 100 32
ТАЦ 1300 180 29
В соответствии с экспериментальными данными [11], время существования плазмы, возникающей при воздействии наносекундного лазерного излучения, порядка длительности лазерного импульса. Таким образом лазерный импульс взаимодействует и с малоплотной мишенью, и с формируемой плазмой.
abed ТАС 2/460
536 534 532 530 528 526 524 Длина волны, нм
^ 80 ■
MfïfowVV^"
AÀA
да
536 534 532 530 528 526 524 Длина волны, нм
JlliMVr'w^ (с)
536 534 532 530 528 526 524 Длина волны, нм
536 ' 534 ' 532 ' 530 ' 528 ' 526^ 524 Длина волны, нм
Рис. 1: Развертка излучения второй гармоники для ТАЦ мишени с плотностью 2 мг/см3 и толщиной 460 мкм.
abed ТАС 50/100
f -Л
•• ч -,
Л ' t '
rnU^sA (а)
-г11-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1 р г пп1
532 530 528 Длина волны, нм
532 530 528 Длина волны, нм
532 530 528 Длина волны, нм
532 530 528 Длина волны, нм
Рис. 2: Развертка излучения второй гармоники для ТАЦ мишени с плотностью 50 мг/см3 и толщиной 100 мкм.
На рис. 1-3 представлены временные развертки излучения второй гармоники в плазме малоплотных мишеней. Сечения (а), (Ь), (с), (ё) соответствуют спектрам излучения гармоники в разные моменты времени. График (е) соответствует интегральному по интенсивности свечению второй гармоники во времени. Для мишеней с плотностями 2 и 50 мг/см3 интенсивность излучения слабая по сравнению с мишенью плотностью 1300 мг/см3. В спектре четко выделенного максимума не наблюдается, присутствуют неоднородности интенсивности на фоне непрерывного спектра в исследуемой области. Для всех мишеней характерно постепенное нарастание интенсивности излучения второй гармоники.
Если сравнить полученные результаты развертки интенсивности излучения второй гармоники с данными для ТАЦ мишеней с добавлением частиц меди [12], можно выявить следующие различия: наличие идентифицируемого пика интенсивности с течением времени генерации, более узкий по ширине спектр излучения второй гармоники.
Длина волны, нм
Рис. 3: Развертка излучения второй гармоники для ТАЦ мишени с плотностью 1300 мг/см3 и толщиной 180 мкм.
Отличие в картине развертки излучения второй гармоники связывается с типом мишени. Добавление наночастиц меди изменяет характер спектрального распределения второй гармоники. Так в работе [13] продемонстрированы спектральные отличия генерации второй гармоники в ТАЦ мишенях и мишени из меди. Для меди характерно значительное превышение выраженного пика второй гармоники по отношению к пьедесталу, для ТАЦ мишеней же пик на фоне пьедестала выделяется незначительно. Это свидетельствует о преобладании разных процессов, отвечающих за процесс генерации второй гармоники. Наличие максимума в спектре вблизи длины волны А0/2 связано с линейной трансформацией лазерного излучения в плазме, а наличие пьедестала связано с развитием в плазме параметрических неустойчивостей. Все эти процессы протекают в плазме в областях с концентрацией электронов вблизи критической для данной длины волны лазерного излучения. Уширенная форма спектра позволяет полагать, что в лазерной плазме возникает турбулентность вследствие возбуждения коротковолновых плазменных волн.
В работе [14] представлены результаты по изучению временной эволюции излучения второй гармоники плазмы для мишеней из агар-агара и вспененного полистрирола (средняя плотность составляла 1-30 мг/см3, толщина - 100-1000 мкм), имеющих ква-зиупорядоченную структуру. Установлено, что генерация второй гармоники в плазме носит импульсно-периодический характер в течение времени существования греющего импульса. Авторы связывают периодическую во времени генерацию второй гармоники с квазиупорядоченной структурой мишеней.
В настоящей работе в ТАЦ мишенях с плотностями 2 и 50 мг/см3 периодичности в генерации второй гармоники не выявлено. Для ТАЦ мишени с плотностью 1300 мг/см3 наблюдается два пика интенсивной генерации второй гармоники во времени на фоне непрерывного сигнала в отличие от работы [14]. Такая форма импульса свидетельствует о влиянии плотности мишеней ТАЦ хаотической структуры на процесс генерации второй гармоники.
зЗаключение. Проведена серия экспериментов по исследованию эволюции спектра излучения второй гармоники, генерируемого в плазме при воздействии лазерного излучения на малоплотные мишени из ТАЦ. Генерируемая в плазме вторая гармоника подтверждает формирование в плазме областей с критической плотностью электронов для всех исследуемых типов мишеней, в том числе и с плотностью 0.75пс. Анализ временной развертки второй гармоники, генерируемой в плазме, показал, что спектр второй гармоники имеет уширенную форму для малоплотных мишеней. Хаотическая структура мишеней из ТАЦ оказывает влияние на характер генерации второй гармоники в плазме.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Jean-Luc Miquel and Emmanuelle Prene, Nucl. Fusion 59, 032005 (2019).
[2] A. Casner et al., Nucl. Fusion 59, 032002 (2019).
[3] T. W. Huang et al., Plasma Phys. Control. Fusion 60, 115006 (2018).
[4] M. A. Belyaeva, R. L. Berger, O. S. Jones, et al., Phys. Plasmas 25, 123109 (2018).
[5] S. G. Garanin, 15th International conference on high-power particle beams. Saint-Petersburg (Russian Federation); 18-23 July 2004 (BEAMS'2004). Proceedings ISBN 5-87911-088-5, Worldcat; 2005, p. 387-392.
[6] T. Hall, D. Batani, W. Nazarov, et al., Laser and Particle Beams 20, 303 (2002).
[7] R. Dezulian, F. Canova, S. Barbanotti, et al., Phys. Rev. E 73, 047401 (2006).
[8] N. G. Borisenko, I. V. Akimova, A. I. Gromov, et al., Fusion Science and Technology 49(4), 676 (2006).
[9] A. S. Orekhov, A. A. Akunets, L. A. Borisenko, et al., Journal of Physics: Conference Series, 8th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA 2013), 688, 012080 (2016).
[10] S. I. Fedotov, L. P. Feoktistov, M. V Osipov, and A. N. Starodub, Journal of Russian Laser Research 25(1), 79 (2004).
[11] A. N. Starodub, N. G. Borisenko, A. A. Fronya, et al., Laser and Particle Beams 28, 371 (2010).
[12] A. A. Fronya, N. G. Borisenko, V. N. Puzyrev, et al., J. Phys.: Conf. Ser. 1189, 012024 (2019).
[13] А. А. Фроня, Н. Г. Борисенко, В. Н. Пузырев и др., Квантовая электроника 47(2), 101 (2017) [A. A. Fronya, N. G. Borisenko, V. N. Puzyrev, et al., Quantum Electron 47, 101 (2017)].
[14] A. E. Bugrov, I. N. Burdonskii, V. V. Gavrilov, et al., Plasma Physics Reports 30(2), 143 (2004).
Поступила в редакцию 25 июля 2019 г.
После доработки 8 октября 2019 г.
Принята к публикации 9 октября 2019 г.
Публикуется по рекомендации VIII Международной молодежной научной школы-
конференции "Современные проблемы физики и технологий" (НИЯУ "МИФИ", Москва,
2019 г.).
