Плазма — это ионизированный газ и четвёртое состояние вещества, которое составляет более 99% обычной материи во Вселенной. Понимание её свойств имеет решающее значение для разработки источников термоядерной энергии, моделирования астрофизических объектов, таких как звёзды, и совершенствования технологий производства полупроводников для современных мобильных телефонов.
Однако наблюдать за процессами внутри плазмы с высокой плотностью и определять, что в ней происходит, сложно. События могут развиваться за триллионные доли секунды и вести себя сложным, непредсказуемым образом.
В исследовании, опубликованном в Optica, учёные из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали новую диагностическую методику, которая фиксирует эволюцию плазмы во времени и пространстве с помощью одного лазерного импульса. Этот прорыв позволяет создавать плазменные видеоролики со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду, освещая сверхбыструю динамику, которую ранее невозможно было наблюдать.
«В большинстве проводимых в настоящее время экспериментов с лазерами высокой энергии и высокой интенсивности мы получаем одно изображение на каждый лазерный импульс», — сказала учёный LLNL и ведущий автор исследования Лиз Грейс. «Однако плазма нестабильна и непредсказуема, и небольшие изменения могут иметь эффект бабочки, влияющий на последующую эволюцию. Важно зафиксировать как можно больше информации за один раз».
Каждый лазерный импульс через плазму немного отличается, поэтому объединение информации из разных дискретных импульсов может стать значительным источником ошибок. В отличие от этого новая диагностическая методика, называемая Single-shot Advanced Plasma Probe Holographic Reconstruction (SAPPHIRE), фиксирует всё за один раз.
Для этого команда использует специальный лазерный импульс с так называемым «чирпом». Это означает, что лазерный импульс и содержащиеся в нём цвета растягиваются во времени. Например, в отрицательном чирпе, используемом в этой работе, сначала проходит синий свет с более короткими длинами волн, за которым позже следует красный свет с более длинными волнами.
Верхняя половина лазерного луча проходит через плазму, где она преломляется и деформируется, в то время как нижняя половина не изменяется. На другом конце плазмы диагностическая система SAPPHIRE разделяет эти две половины лучей, затем снова объединяет их для создания уникальной интерференционной картины для каждой длины волны света — и, следовательно, для каждого временного отрезка.
С помощью некоторых математических вычислений эту интерференционную картину можно преобразовать в карту плотности электронов в плазме, предоставляя исследователям исключительно детальный фильм о том, как плазма изменяется с течением времени.
Авторы испытали SAPPHIRE на струях газосмеси гелия и азота, но Грейс сказала, что эту диагностику можно применить для измерения зависящих от времени профилей недоплотной (проницаемой для лазера) плазмы, создаваемой с помощью импульсной мощности, волноводов, плазменной оптики, лазерных ускорителей частиц и многого другого.
«Лично я хотела бы увидеть применение этой диагностики в условиях термоядерной энергетики, включая плазмы Z-пинча», — сказала она. «В статье мы предоставили очень подробную инструкцию о том, как создать свою собственную, и я с нетерпением жду того, что смогут придумать люди».
Предоставлено Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса.