Лазерный мир

Российским ученым удалось нагреть поверхность металла до трех миллионов градусов и при этом сохранить его плотность при прямом облучении мощным лазером. Это открывает новые возможности по исследованию материалов в экзотическом состоянии теплого плотного вещества, которое в естественных условиях встречается только в недрах планет. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Experimental evidence for short-pulse laser heating of solid-density target to high bulk temperatures

Heating efficiently solid-density, or even compressed, matter has been a long-sought goal in order to allow investigation of the properties of such state of matter of interest for various domains, e.g. astrophysics. High-power lasers, pinches, and more recently Free-Electron-Lasers (FELs) have been used in this respect. Here we show that by using the high-power, high-contrast “PEARL” laser (Institute of Applied Physics-Russian Academy of Science, Nizhny Novgorod, Russia) delivering 7.5 J in a 60 fs laser pulse, such coupling can be efficiently obtained, resulting in heating of a slab of solid-density Al of 0.8 µm thickness at a temperature of 300 eV, and with minimal density gradients. The characterization of the target heating is achieved combining X-ray spectrometry and measurement of the protons accelerated from the Al slab. The measured heating conditions are consistent with a three-temperatures model that simulates resistive and collisional heating of the bulk induced by the hot electrons. Such effective laser energy deposition is achieved owing to the intrinsic high contrast of the laser which results from the Optical Parametric Chirped Pulse Amplification technology it is based on, allowing to attain high target temperatures in a very compact manner, e.g. in comparison with large-scale FEL facilities.

Последние годы наблюдается повышенный интерес ученых к изучению так называемого теплого плотного вещества (Warm Dense Matter) — экзотического состояния вещества, которое с одной стороны проявляет свойства плазмы, но с другой стороны находится при столь высоком давлении, что электроны в нем являются квантово вырожденными, то есть близки по своим свойствам к электронам в твердых телах.

Положение теплого плотного вещества на диаграмме температура-плотность

В нашем ближайшем окружении теплое плотное вещество не встречается, однако именно в этом состоянии находится вещество в недрах планет. По этой причине знание законов, которые описывают его поведение, в частности, важно для планетологии, поскольку позволяет строить корректные модели возникновения и развития планет.

Обычно в эксперименте состояние теплого плотного вещества достигается за счет относительно невысокого — до нескольких десятков и сотен тысяч градусов Цельсия — нагрева твердотельных образцов. Однако осуществить такой нагрев сложно, поскольку при нагреве вещество стремится расшириться, и его плотность быстро падает. Поэтому нагрев осуществляют или под дополнительным давлением — например, в алмазных наковальнях, — или достаточно быстро, чтобы вещество просто не успело разлететься.

Для быстрого нагрева вещества идеальным источником выглядят «сверхбыстрые» лазеры, излучающие импульсы длительностью всего в несколько десятков фемтосекунд. Такие импульсы, кроме того, могут быть достаточно мощными. Например, недавно китайским ученым удалось получить импульсы с рекордной мощностью в почти пять петаватт. Поскольку генерируемые такими машинами импульсы одновременно короткие и мощные, они могут быстро нагреть вещество до требуемых температур.

До сих пор, однако, осуществить прямой нагрев вещества подобными лазерными импульсами не удавалось, поскольку у любого лазерного импульса есть предвестник или так называемый предымпульс. И, хотя обычно его мощность в миллионы раз ниже, чем мощность самого импульса, но из-за значительно большей длительности он несет в себе достаточное количество энергии, чтобы разрушить поверхность мишени задолго до его прихода. Проблема особенно усугубляется в случае сверхмощных импульсов, для которых предвестник может иметь мощность, сравнимую с мощностью промышленных лазеров, применяемых для резки металла.

Решить эту проблему смогли в нижегородском Институте прикладной физики РАН, где был создан лазерный комплекс PEARL, принципы генерации излучения в котором отличны от традиционных. Обычно лазерное излучение создаётся в специальных лазерных средах. Их сначала «накачивают» энергией, возбуждая атомы, а затем пропускают через них импульс небольшой мощности. Проходя сквозь среду, импульс индуцирует излучение возбуждённых атомов, которое складывается с первоначальным импульсом и многократно усиливает его. Принципиальной проблемой борьбы с предвестником в таких системах является явление спонтанной люминесценции — возбужденные атомы излучают даже в отсутствии внешнего импульса, и поэтому лазерная среда начинает «светить» еще до его прихода, создавая предымпульс.

На установке PEARL для получения сверхмощных импульсов используется другой принцип — оптического параметрического усиления. В этом методе усиление короткого импульса происходит в нелинейно-оптическом кристалле в результате прямого взаимодействия с лазерным импульсом «накачки». Импульс накачки при этом значительно длиннее усиливаемого импульса, и потому обладает невысокой мощностью. Усиливаемый импульс «пробегает» по нему и собирает энергию, приобретая значительно более высокую мощность. В этом методе спонтанное излучение отсутствует, и предвестник получается значительно слабее.

В дальнейшем ученые рассчитывают, во-первых, провести аналогичные исследования для более высоких интенсивностей лазерного излучения, а во-вторых, измерить в повторных экспериментах другие свойства получающейся плазмы, которые позволили бы проверить некоторые теоретические модели, придуманные для описания тёплого плотного вещества.

Подробнее на https://nplus1.ru/news/2017/10/10/more-heat