Плазменные волноводы для фокусировки мощного лазера Нерушимый волновод из плазмы ограничивает размеры лазерного импульса. Предоставлено: Intense Laser-Matter Interactions Lab, University of Maryland

Метод основан на создании волновода из плазмы - газа, в котором электроны отделены от ядер атомов. «В данном случае волновод несокрушим. Водородная плазма, образующая волновод, уже по своей структуре разделена на протоны и электроны, так что с ней уже вряд ли можно что-то сделать»

В научной фантастике запуск мощных лазеров выглядит впечатляюще просто - «Звезда Смерти» посылает разрушительную силу в цель, несущуюся через космос в виде узкого луча света. Однако после того, как мощный лазер был запущен, нужно позаботиться о том, чтобы он сохранил свою форму и не сильно увеличился в диаметре.

Этот эффект распространения света можно наблюдать в более обычных условиях, если направить фонарик на стену. Чем дальше источник света находится от стены, тем сильнее увеличивается диаметр луча, в результате чего световое пятно становится тусклее. Лазерный луч при одинаковых условиях расширяется намного меньше, чем поток света от фонарика. Однако, когда лазер проходит большой путь или должен сохранять высокую интенсивность излучения, особенности его распространения имеют большую важность.

Независимо от того, какой целю является использование лазера, чтобы увеличить интенсивность потока излучения, необходимо увеличить плотность и мощность испускаемого луча. В наземных экспериментах для пропускания лазерного излучения и удержания его в узком луче можно использовать устройства, называемые волноводами, такие как оптические волокна.

Сердцевина и внешняя оболочка волновода препятствуют распространению лазера за пределы его границ. Но, если лазерный импульс имеет слишком высокую мощность, возникнет проблема: лазер разрушит оптическое волокно за тысячную долю наносекунды.

Исследователи из Университета Мэриленда разработали усовершенствованный метод создания волноводов, способных выдерживать мощное лазерное излучение. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters [1], они продемонстрировали, как мощные лазерные импульсы передаются по волноводу с помощью более слабых импульсов в облаке водорода. Этот метод планируется использовать в экспериментах по ускорению высокоэнергетических частиц.

Метод основан на создании волновода из плазмы - газа, в котором электроны отделены от ядер атомов. «Плазменный волновод схож по структуре с оптическим волокном, имеющим классическую сердцевину и оболочку». «В данном случае волновод несокрушим. Водородная плазма, образующая волновод, уже по своей структуре разделена на протоны и электроны, так что с ней уже вряд ли можно что-то сделать».

В начале 1990-х была разработана схожая технология создания плазменных волноводов для прохождения лазеров с более высокой интенсивностью излучения. Тогда лазерный луч направлялся в газ. Во время движения он отрывает электроны от атомов, расположенных вдоль луча, создавая плазменный туннель, имеющий более высокую температуру, чем окружающий газ. Из-за тепла плазма расширяется, образуя ядро плазмы с низкой плотностью, окруженное стенкой с высокой плотностью, образованной ударной волной от выброса плазмы наружу.

Эта структура - именно то, что необходимо для создания волновода, но у этого метода есть свой минус - исследователи не могут создать сердцевину и стенку по отдельности. Чтобы толщину стенки и плотность находящихся в ней электрических зарядов можно было изменять, а сердцевина обладала высокой плотностью для ускорения проходящих через нее частиц.

В новой работе исследователи демонстрируют улучшенный метод создания волновода из плазмы, позволяющий создавать стенку и ядро независимо друг от друга. Идея заключается в использовании двух специализированных лазерных лучей, называемых лучами Бесселя. Первый лазер представляет собой простой пучок Бесселя, который формирует ядро с низкой плотностью, вызывая меньший нагрев плазменного туннеля, чем предыдущий метод.

Второй лазерный луч более необычен. Получается полая световая трубка, позволяющая выстроить стенку волновода с образованием дополнительной плазмы из газа, окружающей плазменное ядро. Поскольку второй лазерный импульс может соответствовать форме стенки с высокой плотностью, его можно изменять, не влияя на состояние активной зоны.

Этот волновод похож на длинную иглу для подкожных инъекций, а старый метод - на трубочку для питья. В меньшем по размеру проводнике лазер проходит через существенно меньшую площадь сечения, что приводит к появлению более высокой интенсивности лазерного излучения.

 

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.074801

 

Источник: University of Maryland

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Другие публикации по теме