Учёные создали суперлазер «Звезды смерти» из «Звёздных войн»

24 October 2017

Американские учёные, работающие на установке NIF в Ливерморе, продемонстрировали возможность слияния нескольких мощных лазерных пучков в плазме в один. При этом мощность образующегося лазерного луча почти в 4 раза превышала мощность каждого из первоначальных лучей. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature Physics.

Те, кто смотрел «Звёздные войны», наверняка помнят момент уничтожения планеты Альдераан «Звездой смерти»: множество мощных лазерных лучей сошлись в один сверхмощный луч, который превратил мирный мир в мёртвое поле астероидов. Этот момент критиковался за отсутствие научной обоснованности, поскольку, как известно, лазерные лучи, оказавшись в одной точке пространства, просто пройдут сквозь друг друга, и не будут сливаться в один луч. Однако это справедливо только для вакуума. Если же столкновение лучей происходит в веществе, то между ними возможно взаимодействие. До сегодняшнего дня, правда, учёным не удавалось осуществить слияние мощных лучей.

Проблемой заключается то, что взаимодействие лазерных пучков обычно осуществляют в специальных кристаллах, которые всегда имеют предел по максимальной мощности излучения в них. Если мощность превышает критическую, наступает пробой кристалла, и качество и мощность лазерных импульсов, выходящих из кристалла, резко ухудшается.

В новой работе учёные предложили использовать для слияния мощных пучков плазму. В отличии от кристаллов плазма уже является результатом пробоя вещества, и может выдержать значительно более высокие мощности излучения. Однако плазма является крайне нестабильной средой. В большинстве случаев при распространении лазерного импульса в плазме или тем более при взаимодействии в ней нескольких лучей происходит развитие неустойчивостей, приводящих к сильной деформации лазерных импульсов и в конечном итоге к практически полному рассеянию их энергии.

Обойти эти проблемы экспериментаторам, работающим на установке NIF, удалось за счёт специального подбора параметров эксперимента: плотности используемой плазмы, частоты и направления распространения лазерных лучей.

NIF (National Ignition Facility) — огромная лазерная установка, состоящая из 192 лазерных каналов, то есть способная одновременно произвести 192 лазерных импульса. Суммарная их энергия превышает мегаджоуль, что является рекордным значением среди всех существующих установок. Основная научная цель NIF — изучение лазерного инерциального термоядерного синтеза. 192 лазерных луча облучают небольшую мишень, состоящую из дейтериевого льда. При нагреве и сжатии мишени возникают условия, необходимые для протекания термоядерного синтеза. Однако в данной серии экспериментов установка была использована с другой целью.

Внутри мишенной камеры NIF
© Damien Jemison/LLNL
Внутри мишенной камеры NIF © Damien Jemison/LLNL
Внутри мишенной камеры NIF © Damien Jemison/LLNL

Из 192 пучков были задействованы только 49. 40 из них превращали мишень в плазму и нагревали её до 1800 электрон-вольт (около 20 миллионов градусов). Мишень представляла собой шарик, заполненный пентаном C₅H₁₂. В результате действия нагревающих лучей образовывалась плазма в виде практически цилиндра длиной 7 мм и радиусом 2 мм.

Внешний вид мишени.
© Kirkwood et al. // Nature Physics
Внешний вид мишени. © Kirkwood et al. // Nature Physics
Внешний вид мишени. © Kirkwood et al. // Nature Physics

В этот цилиндр запускался один луч, игравший роль «затравки». Его роль заключалась в том, чтобы закачать в себя энергию оставшихся восьми лучей. Перекачивание энергии происходило за счёт взаимодействия лазерного излучения с плазмой в процессе, который называется вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна. Качественно его можно описать следующим образом. Мощные лазерные импульсы возбуждали в плазме волны, похожие на звук — их называют ионно-звуковыми, — которые, взаимодействуя с затравочным импульсом, отдавали ему свою энергию.

Было проведено три эксперимента: с одним только затравочным импульсом, с добавлением четырёх мощных импульсов и с добавлением восьми мощных импульсов. Первый эксперимент подтвердил, что затравочный импульс распространяется в плазме без значительных изменений. Во втором эксперименте его энергия в конце составила около 2,4 кДж при энергии каждого из мощных импульсов 1,1 кДж. А в третьем эксперименте при той же энергии мощных импульсов затравочный импульс был усилен до 4,2 ± 1 кДж. Учитывая, что начальная энергия затравочного импульса составляла около 0,75 кДж, коэффициент усиления составил приблизительно 5,7, при том что теоретически идеальный предел — 10. Но главное — энергия конечного импульса была практически в 4 раза больше, чем первоначальная энергия любого из импульсов.

В дальнейшем учёные надеются объединить таким образом до 20 лазерных лучей. Получение импульсов столь высокой энергии особенно важно для задач физики высоких плотностей энергии, требующих концентрации большого количества энергии в относительно малом объёме за относительно малое время. Длительность импульсов, полученных в этом эксперименте составляла всего 1 нс (наносекунда = 10¯⁹ секунды, одна миллиардная секунды). За счёт высокой мощности при их воздействии на твердотельные вещества происходит его нагрев до десятков и сотен миллионов градусов. А за счёт малой длительности нагрев происходит так быстро, что вещество разлетается на относительно небольшое расстояние, и его плотность остаётся относительно высокой. Это позволяет исследовать вещество в условиях, чем-то напоминающие условия в недрах звёзд.

Читайте также

Создан лазер с самой высокой пиковой мощностью

Саровский лазер

Лазерное излучение разрывает падающую каплю жидкости в слоу-мо

Подписывайтесь также на мой канал в Telegram