Плазменные волноводы фокусируют мощный лазер в узкий луч

Метод создает волновод из плазмы - газа, в котором электроны отделены от ядер атомов. «Но в данном случае волновод несокрушим. Водородная плазма, которая образует 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 через космос в виде узкого луча света в цель. Однако после того, как мощный лазер запустили, нужно позаботиться о том, чтобы он сохранил свою форму и не сильно увеличился в диаметре.

Этот световой эффект наблюдается и в 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 сохранить высокую интенсивность излучения, эффект приобретает особую важность.

Независимо от того, для каких целей создается лазер, чтобы увеличить интенсивность потока излучения, необходимо увеличить плотность и мощность луча. В наземных экспериментах, чтобы лазерное излучение удержать в узком луче, используются устройства, которые называются волноводами, например, оптические волокна.

Сердцевина и внешняя оболочка волновода не позволяют лазеру распространиться за пределы границ. Но, если лазерный импульс очень мощный, возникнет проблема: оптическое волокно разрушается за тысячную долю наносекунды.

Исследователи из Университета Мэриленда разработали метод и создали волновод, который выдерживает мощное лазерное излучение. В статье журнала Physical Review Letters [1] демонстрируется, как мощные лазерные импульсы передаются по волноводу с помощью импульсов послабее в облаке водорода. Этот метод станет частью экспериментов по ускорению высокоэнергетических частиц.

Метод создает волновод из плазмы - газа, в котором электроны отделены от ядер атомов. «Плазменный волновод схож по структуре с оптическим волокном с классической сердцевиной и оболочкой». «Но в данном случае волновод несокрушим. Водородная плазма, которая образует 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 плазменных волноводов, чтобы лазерные лучи распространялись с более высокой интенсивностью излучения. Тогда лазерный луч направлялся в газ. Лазерное излучение по ходу своего движения отрывает электроны от атомов газа и создается плазменный туннель, температура которого выше, чем остального газа. Из-за тепла плазма расширяется и образуется плазменное ядро с низкой плотностью, ограниченное более плотной стенкой, которая возникает от ударной волны при выбросе плазмы наружу.

Эта структура - именно то, что необходимо, чтобы создать волновод, но у этого метода есть свой минус - исследователи не могут создать сердцевину и стенку отдельно. Они хотят изменять толщину стенки и плотность электрических зарядов так, чтобы в сердцевине с повышенной плотностью проходящие внутри частицы ускорялись.

Исследователи создали волновод из плазмы, в котором стенка и ядро возникают независимо друг от друга. Идея заключается в применении двух специализированных лазерных лучей, которые называются лучами Бесселя. Первый лазер - простой пучок, который формирует ядро с низкой плотностью: плазменный туннель нагревается меньше, чем в предыдущем методе.

Второй лазерный луч создает полую световую трубку. Выстраивается стенка волновода и дополнительно образуется плазма из газа, которая окружает плазменное ядро. Вторым лазерным импульсом можно менять плотность стенки и не влиять на состояние активной зоны.

Этот волновод можно сравнить с длинной иглой для подкожных инъекций, а устаревший метод - с трубочкой для питья. В меньшем по размеру проводнике лазер проходит через существенно меньшую площадь сечения, что приводит к повышенной интенсивности лазерного излучения.

Ссылки:

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

Источник: University of Maryland