книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

ченпя с веществом. Ои является прямым опытным доказательством того, что энергия поглощается в выброшенном веществе в период действия лазерного импульса. Это измерение показывает, что ускорение паров происходит благодаря поглощению энергии лазерного луча и разогреву выброшенного вещества.

В работах [73, 74] получены теневые фотографии ударной волны, образующейся вследствие расширения горячей плазмы. Фотографирование производилось на разных стадиях развития плазмы, полученной от одиночного импульса. Зондирующий луч от рубипового лазера с модулируемой добротностью при помощи делительных пластин разбивали на несколько лучей, которые затем пускали по различным оптическим путям, так что на плазму онп попадали в разные моменты времени и проходили через факел под разными углами. Плазма возникала под действием излучения лазера на неодимовом стекле. Такая методика позволяет получать несколько теневых фотографий всей плазмы с интервалами в 50 нс между кадрами. По теневым фотографиям ударной волны, которая создавалась плазмой, расширяющейся от углеродной мишени,

В заключение еще раз отметим, что измеренные с помощью фотографических методов скорости движения вещества, выбро­ шенного под действием излучения мощных лазеров с модулируемой добротпостыо, соответствуют высокой энергии частиц. Таким образом, имеет место нагрев выброшенного вещества в процессе его расширения.

б. Интерферометрические методы

Для зондирования вещества, выброшенного под дей­ ствием излучения лазера, без запаздывания во времени можно использовать интерферометрические методы. В опытах [75] плазма, образованная импульсом рубинового лазера с модулированной добротностью, расширялась в одно из плеч интерферометра Маха — Цендера. В качестве источника света в интерферометре использовался гелий-иеоновый лазер. В процессе формирования плазмы длина оптического пути в активном плече изменялась, что приводило к смещению интерференционной картины. Данные интерферометрии позволяют определить как коэффициент погло­ щения плазмы, так и сдвиг фаз, зависящий от ее плотности 1). Плотность связана с числом полос As, проходящих через интер­ ферометр, следующим соотношением:

г) Иными словами, одновременно измерять действительную и мнимую части показателя преломления.— Прим. ред.

в противоположных направлениях, соответствующих преоблада­

расчетов приведены па фиг. 4.22.

Электронная плотность, рассчитанная в соответствии с этими экспериментами, зависит от плотности энергии лазерного излуче­ ния. Она возрастает до максимальной величины, составляющей около 1,5 -Ю19 см-3 при 100 Дж/см2, и затем уменьшается примерно до 9 ПО18 см-3 при 1100 Дж/см2. Начальное увеличение связано с нагревом выброшенного вещества вследствие поглощения в нем лазерного излучения, что вызывает тепловую ионизацию. Когда

13—023

ровать шесть точек в лазерной плазме. Результаты измерения, показывающие временной ход смещения полос на разных расстоя­ ниях от поверхности углеродной мишени, облучаемой в вакууме импульсом рубинового лазера, представлены на фиг. 4.23. Выход­ ная мощность лазера составляла 7,8 -107 Вт, размер пятна облу­ чения 3 мм. Полосы соответствуют плотностям свободных электро­ нов порядка 1018 см-3. По мере удаления плазмы от поверхности, в интервале от 0,5 до 1 мм, максимальное число интерференцион­ ных полос возрастает, что еще раз свидетельствует о наличии тепловой ионизации, вызванной поглощением света лазера.

При таком методе измерений вклады нейтралов и электронов суммируются. Ионный вклад обычно очень мал. Вклады отдельных компонент можно разделить с помощью интерферометрических измерений на двух длинах волн. Из формулы (4.26) видно, что сдвиг интерференционной полосы зависит от длины волны. Это обстоятельство позволяет разделить вклады в коэффициент пре­ ломления, связанные свободными электронами и нейтральными атомами, путем одновременного измерения сдвигов интерферен­ ционных полос для двух разных длин волн. Такие измерения были проведены для углеродной плазмы, полученной под действи­ ем импульса сфокусированного излучения рубинового лазера мощностью 100 МВт [77]. В качестве источника света для интер­ ферометрии использовался аргоновый лазер, работающий на не­ скольких длинах волн. На расстоянии 1 мм от поверхности мишени плотность электронов быстро достигает максимальной величины 1,66-Ю10 см-3, а спустя 500 нс уменьшается в 10 раз. Плотность нейтральных атомов достигает пикового значения около 1,6-1020 см-3, затем уменьшается, так как непрозрачная плазма экранирует поверхность мишени, и наконец проходит через второй максимум, когда плазма становится прозрачной и лазерный свет снова достигает поверхности. Нейтральные атомы можно было обнаружить в течение приблизительно 1 мкс после окончания лазерного импульса. Соотношение плотностей говорит о том, что ионизуется лишь приблизительно одна десятая часть испаренного вещества.

С помощью интерферометра Маха — Цендера были выполнены также интерферометрические измерения плазмы, полученной в ре­ зультате взаимодействия излучения рубинового лазера с тонкими металлическими фольгами [78, 79]. Серия интерферограмм, снятых в разные моменты времени, показывает расширение плазмы, возникающей при фокусировке на фольгу толщиной 2 мкм лазер­ ного импульса мощностью 60 МВт и длительностью 20 нс. Обра­ зовывалось приблизительно 1016 электронов. Средняя плотность электронов достигала величины 1019 см-3. Наложение магнитного поля уменьшало скорость расширения плазмы.

13*

•обнаружены линии в диапазоне 100—200 А [89]. При помощи рубинового лазера с модулированной добротностью мощностью 500 МВт в [90] наблюдались линии Ti(VII—XII) и изоэлектронные линии ванадия, хрома, марганца и железа. Наиболее высоко ионизованные состояния были обнаружены вблизи центра плазмы, тогда как линии излучения, соответствующие ионам меньшей кратности, были видны на расстоянии порядка 1 мм от центра. Аналогичным образом в [91] наблюдались спектры Ca(XII—XIV) наряду с изоэлектронными переходами в S, К и Sc. Такие иссле­ дования позволили идентифицировать ранее неклассифицирован­ ные линии переходов во внутренних оболочках этих ионов, что играет важную роль при изучении физики Солнца. Полученные таким путем результаты были использованы для отождествления новых линий, соответствующих различным ионам, и дополнения классификации групп линий Fe(XII). и Fe(XIII), являющихся интенсивными составляющими солнечного излучения [92]. Иденти­ фикация линий, принадлежащих ионам кальция высокой кратно­ сти, представляет интерес для астрофизики. Лазерная искра является новым мощным источником спектров Са(ХП—XIV), действующим в лабораторных условиях [86, 93].

Общая особенность рассматриваемых спектров состоит в том, что при очень высоких уровнях мощности наблюдаемые линии принадлежат в основном ионам двух последовательных кратностей, тогда как линии ионов более низкой кратности фактически отсут­ ствуют [94]. Этот результат можно понять на основе системы уравнений Саха, которые описывают заселенность состояний с разной степенью ионизации в плазме в условиях локального

где тп, к и h — масса электрона, постоянная Больцмана и постоян­

ствия в плазме. Zz (Т) — статистическая сумма состояния z. Для большинства экспериментальных условий эту поправку можно вычислить по формуле (в единицах МКС)

AEz~l fa (32ег/4яе0) (4лАе/3)1/з,

где е — заряд электрона и е0 — диэлектрическая постоянная вакуума, определяемая соотношением

2г(7’) = 2 ^ е х р ( - а д Г ) ;