Вещество в фокусе петаваттного лазера + видео

Новости науки и техники Комментариев к записи Вещество в фокусе петаваттного лазера + видео нет

Физик Артем Коржиманов о сверхмощном лазере, отрыве электрона от атома и прохождении света сквозь непрозрачный материал

Развитие лазерных технологий привело к тому, что сейчас у нас есть лазерные системы, которые способны генерировать излучение совершенно невообразимой мощности. Эта мощность достигла уровня одного петаватта. Для сравнения: мощность всех электростанций мира, которую они вырабатывают непрерывно, составляет лишь одну сотую от одного петаватта, то есть мощность излучения петаваттных лазеров в сто раз выше, чем мощность всей энергосистемы человечества. Если сравнить с Солнцем, то оно, конечно, является более мощным источником света, но петаватт солнечной энергии падает на площадь поверхности, равную площади пустыни Гоби. Имея такой уникальный инструмент, очень интересно посмотреть, что будет происходить с веществом, которое попадает в фокус такого излучения.

Я думаю, в детстве мы все баловались с отцовскими лупами, ловя излучение солнца, фокусируя его в точку и прожигая бедных букашек или выжигая какие-то слова на скамейках в парке. И вот представьте теперь, что у вас в руках есть лупа размером с пустыню Гоби. Что будет происходить в фокусе такой лупы? Вопрос, вообще говоря, нетривиальный. Фокусировать лазерное излучение мы можем в очень маленький объем, и этот объем фактически ограничен свойствами самого этого излучения — его длиной волны, которая составляет один микрон. Для сравнения: средняя толщина человеческого волоса составляет десятки микронов. То есть мы можем фокусировать излучение фактически на поверхность волоса в пятно размером в десять раз меньше, чем размер человеческого волоса.

Когда мы фокусируем такую огромную мощность в такой маленький объем, очевидно, мы получаем очень большую энергию в очень маленьком объеме — мы получаем очень высокие плотности энергии. Что происходит с веществом, которому не повезло попасть к нам фокус? Во-первых, давайте вспомним, что лазерное излучение — это просто электромагнитная волна. Это значит, что в нем есть электрические и магнитные поля, и понятно, что чем выше мощность излучения, чем выше его яркость, тем сильнее эти поля. В фокусе петаваттного лазера величина электрического поля, этой электромагнитной волны в сотни раз больше, чем величина того электрического поля, которое удерживает электрон в атоме. Это означает, что электрическая сила, которая действует со стороны лазерного излучения на электрон в атоме, просто мгновенно отрывает эти электроны от атома и все вещество превращается в так называемую плазму.

Плазма — это просто такой газ, в котором отдельно летают электроны, отдельно летают оставшиеся без них ядра атомов, и все это как-то там живет. Эта плазма обладает очень интересными свойствами. Дело в том, что электроны, попав в электромагнитную волну, под действием электрического и отчасти магнитного поля начинают с очень высокой скоростью колебаться, двигаться. Энергия колебаний электрона в поле оказывается много больше, чем его энергия покоя. Это означает, что электроны начинают двигаться с релятивистскими скоростями — скоростями, очень близкими к скорости света. В нашей плазме начинают проявляться очень сильные релятивистские эффекты, и объект, который образуется в фокусе петаваттных лазеров, получил название релятивистской лазерной плазмы, то есть это плазма с релятивистскими эффектами в фокусе лазера.

Это приводит к довольно необычным эффектам. Один из самых известных релятивистских эффектов заключается в том, что у объекта, который движется с релятивистской скоростью, увеличивается эффективная масса — он становится более тяжелым, менее податливым к внешним воздействиям, его сложно свернуть с того пути, на который он встал. Когда он летит, на него надо подействовать действительно очень большой силой, чтобы его свернуть. Электроны в нашей плазме становятся очень тяжелыми.

Электроны играют очень важную роль в веществе с точки зрения взаимодействия со светом: именно они ответственны за то, как вещество реагирует на свет. Например, как устроено зеркало? Это кусок стекла, на задней поверхности которого нанесена обычно металлическая пленка, серебро или что-то другое. Оно отражает, потому что электроны в этой металлической пленке очень быстро реагируют на падающий свет и подстраиваются под него таким образом, чтобы этот свет отразить. Что происходит в нашей релятивистской лазерной плазме? Электроны становятся тяжелыми из-за релятивистских эффектов, не успевают подстраиваться под тот свет, который на них падает, и лазерное излучение начинает проходить сквозь непрозрачный материал. Это называется релятивистской самоиндуцированной прозрачностью: вы светите на непрозрачное зеркало, и вдруг оно становится прозрачным, и свет у вас уходит.

Рекомендуем по этой теме:
Сверхмощные лазерные филаменты
Другой интересный эффект — это эффект, который наблюдается в газах, в изначально прозрачных средах. Если взять лазерную указку, простейший лазер, который есть практически у каждого дома, и посветить им, скажем, в свою руку, вы увидите на руке хорошее красное пятнышко. Но если вы направите свет от этого лазера на стену противоположного дома из вашего окна, то на этой стене вы уже, скорее всего, никакого пятнышка не увидите — в лучшем случае вы увидите большое размытое красное пятно. Почему? Можно было бы, конечно, сказать, что лазер плохой, но дело не только в этом. Дело в том, что любое излучение, в том числе лазерное, испытывает дифракцию. Оно самопроизвольно, в силу своих природных особенностей, расходится — дифрагирует.

Оказывается, что релятивистская лазерная плазма может служить своеобразной линзой для дифрагирующего излучения. Мы пускаем излучение в газ, в газе образуется релятивистская лазерная плазма, и электроны в ней начинают двигаться таким образом, что излучение пытается расходиться, а эти электроны, наоборот, начинают его загибать. Получается, что у нас может образоваться устойчивая структура, когда дифракция и самофокусировка компенсируют друг друга и у нас образуются длинные каналы, или филаменты. За счет этого излучение можно передавать на относительно большие расстояния, то есть его длина пробега значительно увеличивается. Речь, конечно, не идет о том, чтобы передавать ее на расстояния порядка метров или километров и осуществлять связь в атмосфере, но в пределах лаборатории эти расстояния могут быть весьма существенны. Это называется релятивистской самофокусировкой.

Есть и другие интересные эффекты, но подробнее мне хотелось бы остановиться на еще одной проблеме, которая нам пока не до конца понятна с точки зрения теории (с точки зрения эксперимента на самом деле тоже). Речь идет о том, что в релятивистской лазерной плазме есть эффект бесстолкновительного нагрева.

Как обычно греется материал, если на него светить? Мы знаем, что от света нам тепло, потому что свет падает на вещество, действует на электроны, которые находятся в этом веществе, дергает их. Но если он их просто подергает, а потом уйдет, прекратится, то эти электроны останутся как есть. Чтобы произошел нагрев, электроны в процессе этих маленьких колебаний под действием света должны столкнуться с кем-нибудь, например с другим электроном или с атомом. Оказывается, в релятивистской лазерной плазме этот механизм нагрева не работает. Релятивистские электроны носятся с такой огромной скоростью, что они просто ни с кем не сталкиваются (по крайней мере, за то время, пока действует лазерный импульс). Но при этом из экспериментов, из численного моделирования мы знаем, что нагрев есть и он может быть очень сильный.

Рекомендуем по этой теме:
Лазерные технологии в промышленности
Люди довольно долго занимаются этой проблемой, изучают ее с разных сторон, но пока нет полного понимания того, каковы же все-таки механизмы бесстолкновительного нагрева. Единой картины пока, наверное, нет. Это очень интересная и важная вещь, поскольку, как я сказал, когда мы фокусируем петаваттное излучение в маленький объем, мы достигаем очень высоких плотностей энергии. Задача получения вещества с высокой плотностью энергии имеет огромное значение как для прикладных целей (в таком веществе можно ожидать протекания термоядерных реакций или эффективной генерации рентгеновского излучения, которое требуется для большого количества приложений), так и с фундаментальной точки зрения эта задача интересна, поскольку позволяет в лабораторных условиях исследовать процессы, которые протекают в недрах звезд, планет, и, соответственно, лучше понимать то, как планеты и звезды образуются, живут и так далее.

Но мы не можем в полной мере использовать наши лазерные системы, для того чтобы изучать такое вещество, потому что оказывается, что, пока мы пытаемся его нагреть, это вещество достаточно сильно разлетается и в итоге эту энергию, которую мы вроде сфокусировали в маленький объем, разносит на большие объемы, и это уже не так интересно. И здесь хотелось бы научиться греть вещество быстро, эффективно, так, чтобы оно не успевало разлетаться, передавая эту высокую плотность энергии из света непосредственно в вещество, чтобы изучать уже свойства вещества при таких условиях. Это одно из основных направлений дальнейших исследований в этой области.

Источник: https://postnauka.ru/video/76483


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top