Лазерная плазма

ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА, плазма, образующаяся при ионизующем воздействии мощного лазерного излучения на вещество. Например, лазерная плазма возникает при оптическом пробое в газовых средах, облучении лазером поверхности твёрдого тела, в лазерных термоядерных мишенях.

Для лазерной плазмы характерны сильное взаимодействие электронов с электромагнитным полем лазерного излучения, что приводит к эффективному поглощению излучения; значительная пространственная неоднородность температуры и плотности; перенос энергии собственным излучением плазмы, электронами и ударными волнами из зоны поглощения в плотные области вещества; испускание теплового излучения в широком спектральном диапазоне. Лазерная  плазма может существовать в широком диапазоне температур - от 1 эВ до 10⁴ эВ (10⁴-10⁸ К), скоростей движения - до 10⁸ см/с; давлений - более 10¹¹ Па; время жизни лазерной плазмы определяется длительностью воздействующего лазерного импульса и временем разлёта вещества.

Во всех разновидностях лазерной плазмы начальная стадия её образования связана с оптическим пробоем, возникающим или в результате ионизации электронным ударом с последующим образованием лавины электронной, или в результате многофотонной ионизации. Как правило, первый механизм вносит больший вклад в процесс ионизации. Вклад многофотонной ионизации увеличивается с ростом интенсивности лазерного излучения и с уменьшением плотности вещества. В лазерной плазме наблюдались ионы с очень высокой кратностью ионизации (вплоть до 40-50).

В лазерной плазме экспериментально наблюдаются самофокусировка лазерного луча (уменьшение его диаметра при распространении в неоднородной плазме) и филаментация (спонтанное возникновение и рост мелкомасштабных неоднородностей поля при первоначально однородном волновом фронте). Причина этих эффектов - давление электромагнитного поля лазерного излучения или неоднородный нагрев плазмы, локально изменяющие её плотность и коэффициент преломления и, следовательно, влияющие на распространение лазерного излучения.

Воздействие мощной световой волны на лазерной плазме приводит к образованию плазменных волн (колебаний электронной и ионной плотностей), которые взаимодействуют с первичной и рассеянной световыми волнами. В результате образуются электромагнитные волны с частотой, кратной частоте падающей световой волны (так называемой гармоники). Вероятность генерации высоких гармоник увеличивается с увеличением интенсивности лазерного излучения. При интенсивностях 10²⁰- 10²¹ Вт/см² экспериментально зарегистрированы гармоники до номера 3200. Энергия квантов излучения наиболее высоких гармоник достигает 3800 эВ при энергии кванта лазерного излучения 1,18 эВ (для излучения лазера на неодимовом стекле).

При высоких интенсивностях лазерного излучения, превышающих 10¹⁴- 10¹⁵ Вт/см², распределения электронов и ионов в лазерной плазме неравновесны - в ней наблюдаются надтепловые (быстрые) электроны и ионы. Генерация быстрых электронов связана с резонансным возрастанием электрического поля в области поглощения и ускорением электронов этим полем. В свою очередь, электрическое поле быстрых электронов приводит к ускорению ионов. Число быстрых электронов и ионов и их энергия растут с ростом интенсивности и длины волны лазерного излучения. В современных экспериментах при интенсивности 10²⁰-10²¹ Вт/см² энергия быстрых электронов и ионов достигает нескольких сотен МэВ.

Температура лазерной плазмы растёт с увеличением интенсивности лазерного излучения. При современном уровне лазерной техники относительно легко достигается температура в несколько кэВ (10⁷-10⁸ К), достаточная для протекания термоядерной реакции. Впервые термоядерная реакция, инициированная лучом лазера, осуществлена в 1968 в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии Наук СССР. При столь высоких температурах лазерная плазма представляет собой мощный источник жёсткого рентгеновского излучения. В это излучение может быть преобразовано до 60% энергии лазерного импульса. Эффективность испускания возрастает с увеличением атомного номера ионов плазмы.

В Л. п. экспериментально обнаружены сверхсильные магнитные поля (с магнитной индукцией до 102-103 Тл). Генера-ция магнитных полей в Л. п. связана с возникновением замкнутых термоэлектрической токов (термоэдс), причиной появ-ления которых является несовпадение направлений изменения температуры и плотности электронов плазмы.

Одно из основных приложений лазерной плазмы связано с исследованиями в области лазерного термоядерного синтеза и основано на возможности создания в лазерной плазме высоких температур и давлений. Лазерная  плазма применяется также в качестве мощного, практически точечного рентгеновского источника для диагностики (в физических экспериментах), рентгенографии и т. п.; как источник для получения многозарядных ионов и дальнейшего их ускорения в ускорителях заряженных частиц. Лазерная  плазма используется также в качестве первичной плазмы для заполнения установки в исследованиях по магнитному управляемому термоядерному синтезу и в плазмохимических установках, а также в установках, производящих наноразмерные и наноструктурные материалы и образцы.

Лит.: Райзер Ю. П. Лазерная искра и распределение разрядов. М., 1974; Взаимодействие мощного лазерного излучения с плазмой. М., 1978; Лазерная плазма. Физика и применения. М., 2003.