Рассеяние и поглощение мощного лазерного излучения в малоплотных пористых средах различной микроструктуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Московский физико-технический институт (государственный университет)

На правах рукописи УДК 533.9+539.534.9

Янковский Георгий Маркович

РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МАЛОПЛОТНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ РАЗЛИЧНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» Научный руководитель:

Александр Юрьевич Начальник отдела оптических исследований,

Гольцов доктор физ.-мат. наук

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Официальные оппоненты;

Дмитрий Дмитриевич Директор отделения,

Малюта ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных

и термоядерных исследований доктор физ.-мат. наук. Александр Владимирович Заведующий лабораторией, Институт

Кильлио Общей Физики им. A.M. Прохорова РАН

кандидат физ.-мат. наук. Ведущая организация: Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

Защита состоится _2006 г. в'//'часов ¿^минут на заседании

Диссертационного Совета K212.156.0t в Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная д. 84/32, к. В-2,

Отзывы направлять по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московская область, Институтский пер., д. 9 МФТИ, Диссертационный совет К 212.156.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан fO, 2006г.

Учдный Секретарь Диссертационного Совета

Кандидат технических наук (L^ Н.П. Чубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с ниэкоплотными гетерогенными средами с различной внутренней структурой. Развитый в работе метод детального анализа спектрально-временных характеристик излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте излучения лазера 1ы<> и гармониках 2шо и 3/2ыо, применяется для исследования процессов поглощения и рассеяния лазерного излучения в пористых средах и гомогенизации плазмы образующейся плазмы. 1. Актуальность темы.

Одной из возможностей смягчить высокие требования к параметрам лазерного излучения в программе по реализации ЛТС является применение малоплотных сред в качестве компонент термоядерных мишеней. Нанесение на поверхность сферической термоядерной мишени соответствующим образом подобранного слоя вещества пониженной плотности позволяет выра внять неоднородности абляционного давления, обусловленные неравномерностью лазерного облучения, в схеме с прямым облучением \\,2\. В работах [3,4] был предложен новый перспективный тип мишени для ЛТС. В этой мишени, получившей название "Лазерный парник*, поглощение лазерного излучения Происходит в объёме достаточно толстого слоя вещества с малой плотностью, наносимого на поверхность сферической капсулы с термоядерным топливом. Использование пористых сред в конструкциях мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами, представляет интерес и для экспериментов по моделированию астрофизических явлений в лабораторных условиях {5], а также для разработок мощных лазерно-плазменных источников когерентного и некогеретиого рентгеновского излучения [б]. Выбор оптимальных вариантов применения пористых материалов пониженной плотности в конструкциях мишеней различного применения может быть сделан лишь на основании детального изучения процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с такими специфическими средами. Именно этот круг вопросов и составил основной предмет исследований, представленных в данной диссертации.

Варьируя структуру, среднюю плотность и толщину пористых мишеней в экспериментах удавалось реализовывать объемное поглощение лазерного излучения, существенно увеличивая таким образом долю энергии лазерного импульса, конвертируемую во внутреннюю энергию создаваемой в облучаемом

образце плазмы, по сравнению с той энергией, которая приходится на гидродинамическое расширение плазмы навстречу лазерному лучку [7]. При этом появляется возможность формирования достаточно протяженных областей квазиоднородной высокотемпературной плазмы сравнительно высокой плотности или, по крайней мере, независимого управления плотностью и температурой плазмы в достаточно широких пределах [8-11]. Напомним, что при облучении мишеней из материалов твердотельной плотности, плотность и температура в образующейся плазменной короне над облучаемой поверхностью меняются самосогласованно. 6 условиях пористого вещества, поглощение и рассеяние мощного лазерного излучения, механизмы переноса энергии и гидродинамические процессы имеют весьма специфический характер и в существенной степени определяются микроструктурой используемого материала.

Структурными элементами используемых в работе малоплотных органических материалов являются волокна различной длины и пленки различной формы твердотельной плотности, имеющие микронную и субмикронную толщину и образующие пористые структуры (рис.1). Так, используемый в нашей лаборатории агар ([С^Н^О^п) имеет беспорядочную волоконно-пленочкую структуру с открытыми порами, а вспененный полистирол ([СН],,) имеет квазирегулярную пленочно-ячеистую структуру с замкнутыми порами [8]. Взаимодействие мощного лазерного излучения с тонкими пленками и нитями приводит к образованию плазмы у каждого подвергающегося облучению структурного элемента пористой среды. Потоки расширяющейся плазмы от отдельных элементов, сталкиваясь и взаимодействуя между собой, заполняют

Рис. 1: полученные с помощью электронного микроскопа фотографии микроструктуры (а)-агара и (б)-вслененного полистирола с одинаковой средней плотностью 10 мг/см3.

коры и ячейки среды. В результате, в пористой среде формируется протяженная область высокотемпературной плазмы, размеры которой в направлении распространения лазерного пучка зависят. от величины средней плотности облучаемой мишени. Таким образом, в области поглощения и рассеяния лазерного излучения в пористом материале в течение лазерного импульса могут присутствовать и остатки твердотельных структурных элементов, взаимодействующие друг с другом (или с еще непрогретым веществом) плазменные потоки. Естественно предположить, что после испарения всех твёрдотельных элементов в области взаимодействия флуктуации платности в плазме будут затухать, и плазма со временем станет в достаточной степени однородной. Представляется крайне важным исследование такого процесса, называемого процессом гомогенизации плазмы [11], в облучаемых импульсным лазерным лучком пористых мишенях различной микроструктуры с разными значениями средней плотности (внимания заслуживают такие параметры процесса, как характерное время гомогенизации плазмы и плотность реализуемой квазиоднородной плазмы).

Эксперименты проводились на лазерной установке 'Мишень"( А= 1,055мкм.; длительность импульса г = 3 не; МО14 Вт/см3 ) [12] в ТРИНИТИ. В качестве основного диагностического метода применялись спектроскопические с разрешением во времени измерения излучения, рассеиваемого лазерной плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте лазера 1wq и ее гармониках (2wo и ЗАод),. Применение таких методов позволило получать ценную информацию о процессах рассеяния и поглощения, параметрах плазмы, ее свойствах, а также механизмах формирования плазмы, энергопереноса в объемно-структурированной среде С малой средней плотностью и гомогенизации плазмы в условиях пористых мишеней различной микроструктуры.

Экспериментальный подход, реализованный в рамках данной диссертационной работы, заключается в предварительном проведении модельных экспериментов, в которых облучались лавсановые пленки различной толщины (0,8-20 мкм) и каскадные мишени из нескольких равноудаленных друг от друга лавсановых пленок, расположенных вдоль направления распространения лазерного лучка. Варьируя толщину пленок, расстояние между ними и интенсивность лазерных импульсов, подробно изучались спектрально-временные характеристики рассеиваемого излучения. Проводилась идентификация реализуемых механизмов поглощения, рассеяния и генерации гармоник в этих

условиях, позволяющих проводить численные гидродинамические расчеты по программам, основанным на хорошо проверенных теоретических моделях. Выбор лавсановой пленки в качестве модели элемента структуры пористых мишеней обусловлен близостью их химических составов, а набор равноудаленных друг от друга лавсановых пленок, образующих регулярную структуру элементов каскадной мишени, среднюю платность которой можно менять контролируемым образом, в какой-то мере моделирует плбночно-ячеистую структуру (вспененный полистирол). Исследование взаимодействия лазерных импульсов с малоплотными пористыми материалами различной микроструктуры, и интерпретация полученных данных проводилась на основе их сопоставления с результатами модельных экспериментов. Следует особо подчеркнуть, что данные полученные с помощью оптических измерений были дополнены и анализировались совместно с данными полученными на основе применения различных рентгеновских диагностик.

Цели исследования:

• Изучение влияния структуры малоплотных пористых сред, облучаемых мощным лазерным ^пучком, на поглощение и рассеяние ■ излучениия в неоднородной протяжённой плазме, получаемой при облучении.

• Сравнительный анализ спектральных характеристик рассеянного лазерного излучения.-! в модельных эксперментах с плёночными мишенями и экспериментах по облучению малоплотных пористых материалов средней плотности от 2 мг/смЗ до 30 мг/смЗ (агар, вспененный полистирол).

• Идентификация процессов рассеяния на основе полученных спектрально-временных характеристик излучения, рассеянного на основной частоте в апертуру фокусирующей линзы.

> • Оценка гидродинамических параметров плазмы и «следование процессов формирования и гомогенизации плазмы, создаваемой при облучении магюплотных пористых сред на основе анализа спектрально-временных данных и их сравнении с рентгеновскими измерениями.

Выполнение намеченной программы экспериментальных исследований потребовало развития и внедрения в эксперимент диагностических методов, основанных на регистрации излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте облучающего мишень лазерного пучка 1о>о и частотах гармоник 2шо и 3/2шо С высоким спектральным и временным разрешением. В работе одновременно

использовались оптические и рентгеновские методики, обеспечиваемые диагностическим комплексом установки "Мишень" [12]. Для анализа экспериментальных данных применялись специальные и общедоступные программные средства математической обработки.

Экспериментальная установка "Мишень* включает в себя двухканальную импульсную'Лазерную систему на неодимовом фосфатном стекле. Выходные параметры основного пучка лазерной системы: длина волны излучения Л = 1,055мкм.; длительность импульса т = 3 не; энергия импульса Е £100 Дж Средняя плотность мощности излучения в фокальном пятне диаметром 200-250 мкм на мишени варьировалась в разных выстрелах в диапазоне 1013-ЗЮ" Вт/см2. Научная новизна представленных исследований.

Плазма, полученная при облучении мощным лазерным излучением мишеней из малоплотных пористых материалов, является сложным и малоизученным объектом. Комплексное исследование процессов рассеяния и поглощения на основе спектрально-временного анализа рассеянного лазерного излучения и генерируемых в плазме гармоник 2оо и 3/2юо проводится впервые. Оригинальность подхода данной работы заключается в сравнительном анализе спектрально-временных данных, полученных при облучении малоплотных пористых сред различной структуры с данными, накопленными в модельных эксперментах по облучению плёночных мишеней (одно каскадных и многокаскадных). Тщательный подход в применении диагностических средств, в том числе настройка измерительных каналов строго на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, контроль за условиями облучения (форма импульса, спектральный состав) в каждой серии экспериментов, позволили получить новые результаты по процессам ¡рассеяния и поглощения в высокотемпературной плазме околокритической1 платности. Временные развертки спектров излучения, рассеянного в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте 1юо и частотах гармоник 2«>о и 3/2о>о, регистрировались одновременно в каждом эксперименте. Высокое качество созданного диагностического комплекса позволило обнаружить наличие характерных структур в спектрально-временных распределениях рассеянного излучения на частоте 1<оо в экспериментах по облучению гак плоских твёрдотельных мишеней, так й мишеней из малоплотных пористых материалов. Анализ спектрально-временных данных и их сопоставление с результатами других методик позволил идентифицировать механизмы рассеяния,

разыгрывающиеся в области плазмы околокритической плотности. Показано, что в зависимости от условий эксперимента определяющую роль могут играть вынужденное рассеяние Мандельштам ма-Бриллюэна (ВРМБ), отражение лазерного излучения, процесс переизлучения плазменных волн (распад лен™ юровской волны на электромагнитную и ионно-звуковую), а также комбинационное рассеяние лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуация*. Удалось обнаружить, что в плазме пористых мишеней в условиях наших экспериментов достаточно долго существуют области с плотностями, превышающими критическую плотность (стадия гомогенизации плазмы для мишеней из агара превышает величину "300-500 пс, предсказанную в работе

ПИ).

Научная и практическая значимость работы.

Разработанные и апробированные диагностические методы представляют собой эффективное средство диагностики процессов взаимодействия лазерного испучения с протяжённой плазмой, образующейся при лазерном облучении пористых сред. Развитые в работе диагностические методы представляют интерес и с точки зрения возможности их применения для диагностики плазмы с плотностью близкой^к критической. Эти методы могут быть эффективно использованы для диагностики прогорания тонких фольг (плёнок) и исследования формирования и гомогенизации плазмы в каскадных мишенях и тонких слоях малоплотных пористых материалов. Все перечисленные аспекты делают разработанные методы весьма перспективными при экспериментальном исследовании элементов перспективных конструкций многослойных мишеней для крупномасштабных экспериментов по ЛТС.

Полученные в работе данные позволяют дать рекомендации относительно выбора структуры, средней плотности и размеров пористого материала, а также условий облучения, наиболее подходящих для лазерных мишеней различных применений.

Экспериментальные результаты, представленные в работе, могут быть использованы и для проверки теоретических моделей, отработки численных расчётов и экспериментального моделирования быстропротекающих гидродинамических процессов в высокотемпературной плазме, образующейся при облучении мишеней из малоплотных пористых сред.

Анализ полученных в работе данных способствовал существенному расширению представлений о процессах взаимодействия мощного лазерного излучения с неоднородной плазмой. Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на: -XXVI, XXVII,; XXVtll, XXIX, XXX, XXXI Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -99, -00, -01, -02, -03, -04);

-First International Conference on Inertlal Fusion Sciences and Applications, 12-17 September! 999, Bordeaux, France;

- 26th European Conference on Laser Interaction with Matter, 12-16 June 2000, Prague, Czech Republic;

- Second International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan;

-28th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, 18-22 June 2001, Madeira Tech polo, Funchal, Portugal;

- 27th European Conference on Laser Interaction with Matter, September 2002, Moscow, Russia;

- IV Харитоновские тематические научные чтения. Международная конференция, г. Сэров, Россия 2002;

-30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11, 2003;

- XXVIИ European Conference on Laser interaction with Matter, Roma, Italy, €-10 September, 2004,

-Уравнение состояние вещества. Международная конференция, Эльбрус, Россия 2006.

Положения, выносимые на защиту.

1. Впервые в экспериментах по облучению пористых малоплотных (2-30 мг/см3) материалов различной микроструктуры лазерными импульсами (Л2 1,054 мкм,

г = 3 не ) с : интенсивностью в диапазоне Ю^-ЗЮ14 Вт/см2 выполнены комплексные исследования спектрально- временных характеристик, излучения рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте излучения лазера 1wc и гармониках 2wt> и 3/2wo-

2. Обнаружено, что спектрально-временные распределения излучения, рассеиваемого на основной частоте 1wo, имеют однокомпонентную структуру (красная компонента) при облучении пористых мишеней из агара средней

плотности 10-30 мг/см3 и двух компонентную структуру («фасная и синяя) при облучении мишеней из вспененного полистирола с плотностью от 5 мг/см3 до 25 мг/см3 и агара с плотностью от 2 мг/см3 до -5 мг/см3.

3. В экспериментах по облучению малоплотных пористых мишеней продемонстрирована возможность идентификации механизмов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения, а также диагностики гидродинамики создаваемой плазмы путем сопоставления эволюции спектров рассеяния на основной частоте 1ь>о и частотах гармоник 2шо и 3/2соо с результатами модельных экспериментов.

4. Процессы рассеяния излучения на основной частоте 1шо, локализованные в плазме околокритической плотности, ответственны за формирование красной спектральной компоненты, а процессы, локализованные в областях плазмы с субкритическими плотностями, ответственны за формирование синей спектральной компоненты.

5. Вероятными процессами ответственными за формирование фасной компоненты в спектре излучения рассеиваемого на основной частоте 1и>о, являются комбинационное рассеяние падающей электромагнитной волны на ионно-звуковых флуктуация« и (или) переизлучение плазменных волк (распад на ионно-звуковую и электромагнитную).

в. Подавление ВРМБ в плазме субкритической плотности, получаемой при облучении мишеней из агара со сравнительно высоким значениями средней плотности (от 10 мг/см3 до 30 мг/см3) обусловлено большими градиентами плотности образующейся плазмы.

7. "На основе' анализа спектрально-временных характеристик рассеиваемого плазмой излучения предложен и обоснован механизм формирования и гомогенизации плазмы при облучении пористых мишеней, • Публикации.

По результатам диссертации опубликовано более .10 научных работ, основные из которых приведены в конце автореферата.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 138 страницах текста, включая 52 рисунка и библиографию из 95 наименований.

2. Содержание работы.

Во введении даётся обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, представлены сведения о структуре диссертации и практической ценности работы, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор работ, посвященных взаимодействию мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами и генерации гармоник лазерного излучения в высокотемпературной неоднородной плазме. Проведён анализ экспериментальных результатов различных научных коллективов, занимавшихся исследованием характеристик рассеиваемого плазмой излучения и генерируемых в плазме гармоник. Обсуждаются вопросы диагностики лазерной плазмы на основе характеристик рассеиваемого плазмой излучения. Формулируются задачи и цели диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию лазерной установки "Мишень" на неодимовом стекле, созданной для проведения работ по исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, камеры взаимодействия и диагностической аппаратуры, используемой в экспериментах. Основное внимание уделяется методам и средствам регистрации с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте лазера и частотах гармоник 2<оо и 3/2ио. Детально описаны методы настройки, синхронизации и калибровки диагностической аппаратуры. Приводятся также краткие сведения о применяемых на установке "Мишень" традиционных оптических и рентгеновских методиках. Описаны условия проведения экспериментов и приведены характеристики использовавшихся в экспериментах мишеней. •

В третей главе представлены результаты исследования рассеяния и поглощения лазерного излучения в модельных экспериментах по облучению мишеней из органических пленок. В опытах использовались как прогорающие, так и непрогорающие на протяжении лазерного импульса лавсановые плёнки, а также каскадные мишени из нескольких равноотстоящих друг от друга пленок, моделирующих пористые среды с квази-упорядоченной ячеистой структурой. В случае облучения толстых непрогорающих лавсановых плёнок измерения выполнялись как при нормальном, так и при наклонном (22° и 45°) падении лазерного пучка на мишень. При этом эксперименты проводились как при низких

(-1012 Вт/см2), так и при высоких (-10" Вт/см2) плотностях мощности лазерного излучения на мишени. Экспериментальные данные сравниваются с результатами численного моделирования. Кроме того, спектральные данные сопоставлены с результатами, измерений, выполненных при помощи оптических и рентгеновских диагностик. Проведён анализ спектрально-временнойструктурырассеянного излучения на основной частоте 1<х»о и частотах гармоник 2<х>о (рис. 2) и 3/2»о. Продемонстрирована возможность идентификации механизмов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения, а также диагностики создаваемой плазмы путем сопоставления эволюции специфических особенностей спектров рассеяния на основной частоте шо и частотах гармоник 2шо и 3/2«о,

длина волны ^^

I _ I

о; г <в

О. ^ ~ ш

Рис. 2: развёртки спектров 2<ос; мишени (а)- вспененный полистирол, {б>- агар {плотностью мг/см3. толщина»300 мкм); (-1014 Вт/см2.

В четвёртой главе приводятся и обсуждаются результаты, полученные в

экспериментах по облучению малоплотных пористых материалов различной

средней плотности и структуры (агар и вспененный полистирол со средней

плотностью от 2 мг/см3до 30 мг/см3 и толщиной от 100 мкм до 400 мкм). Проведен

анализ спектрально-временной структуры рассеиваемого излучения на основной

частоте 1<ио (рис. 3) и частотах гармоник 2<о$ и 3/2 шо. Выявлена зависимость

слектральнодременных данных от структуры и средней плотности пористого

материала'^ ¡иишени. Представлены также данные, полученные с помощью

оптических и рентгеновских диагностик, которые дают полезную дополнительную

, .I ' I

информацию о формировании и динамике плазмы в облучаемых пористых образцах. На основе анализа результатов спектрально-временных измерений идентифицированы процессы рассеяния лазерного излучения в плазме околокритической плотности. Рассмотрена возможность получения оценки гидродинамических параметров плазмы в этой области. Выполнен детальный

-20 А ?.0 20А -20А Х0 20А -20 A Xq 20А

компоне!

Красная

Син>

компонента

Пена -5-10-25 мг/см:

Лавсановая плёнка Агар

толщиной 2 мкм. -10-30 мг/см:

Рис. 3: временные развертки слектрое 1ма, I-1014 Вт/смг

анализ временного хода спектров излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте 1и»ои гармониках 2шои 3/2Шо в экспериментах с облучаемыми образцами разной толщины из малоплотных пористых материалов с различной микроструктурой. Это позволило определить условия, когда в результате полного испарения твердотельных структурных элементов и далее в ходе гомогенизации образующейся плазмы ее максимальная плотность на пути распространения лазерного пучка в первоначально пористой среде становится в течение лазерного импульса меньше значения критической плотности, а в некоторых случаях и меньше четверти критической плотности.

В заключении подведены итоги выполненных исследований.

Основные результаты работы.

Для исследования процессов поглощения и рассеяния в высокотемпературной лазерной плазме, получаемой при облучении малоплотных пористых сред различной микроструктуры - агара (беспорядочная волокнисто-пленочная структура, открытые лоры) и вспененного полистирола (пленочно-ячеистая структура, замкнутые поры) - мощным лазерным излучением (I- 1014 Вт/см2), был разработан и внедрён в эксперимент, комплекс спектрально-временных оптических методов диагностики. Регистрация в каждом эксперименте с временным и спектральным разрешением спектров излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте излучения лазера Iwg и частоте гармоники 2ыо (или на основной частоте 1шо и частоте гармоники 3/2шо), в сочетании с измерениями.

выполнявшимися с использованием традиционных оптических и рентгеновских методов, применявшихся на установке "Мишень*, позволила получить ценную информацию о специфике взаимодествия мощного лазерного излучения с пористыми мишенями.

Реализованный в данной работе тщательный подход к применению диагностических методов и средств, в том числе настройка диагностических каналов на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, а также контроль в каждом эксперименте условий облучения (форма импульса, спектральный состав излучения, размеры пятна фокусировки) позволил получить новые результаты, существенно расширившие представления о механизмах рассеяния лазерного излучения в высокотемпературной плазме с околокритической плотностью.

1. Впервые в экспериментах по облучению пористых малоплатных (2-30 мг/см3) материалов различной микроструктуры лазерными импульсами (Л = 1,054 мкм, г = 3 не ) с интенсивностью в диапазоне 1013-10м Вт/смг выполнены комплексные исследования спектрально-временных характеристик излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте излучения лазера 1ыо и гармониках 2wo и 3/2ц>о.

2. При облучении малоплотных пористых сред, с плотностями от 2 мг/см3 до 30 мг/см* обнаружена зависимость временной структуры спектров излучения, рассеиваемого в апретуру фокусирующей линзы на основной частоте 1шо, от средней плотности и микроструктуры материала мишени.

3. Экспериментально установлено, что при облучении пористых мишеней из агара со средней плотностью 10-30 мг/см3 временные развертки спектра излучения, рассеиваемого -на 'основной, частоте 1шо, представляют собой однокомпонентную структуру (красная компонента). При облучении мишеней из вспененного полистирола с плотностью от 5 мг/см3 до 25 мг/см3 и агара с плотностью от 2 мг/см3 до -5 мг/см3 наблюдается двухкомпонентная структура спектра (красная и синяя) ^ , . . ^

4. В экспериментах по облучению малоплотных пористых мишеней продемонстрирована ' возможность идентификации физических механизмов, ответственных 'за рассеяние и поглощение мощного лазерного излучения. Показана возможность определения параметров образующейся плазмы путем сопоставления эволюции спектров рассеяния на основной частоте 1шо и частотах гармоник 2ша и 3/2юо с результатами модельных экспериментов.

5. Анализ совокупности накопленных экспериментальных данных позволил заключить, что за формирование красной спектральной компоненты ответственны процессы рассеяния излучения на основной частоте 1и>о, локализованные в плазме околокритической плотности, тогда как за формирование синей спектральной компоненты ответственны процессы, локализованные в областях плазмы с субкритическими плотностями.

6. Наиболее вероятными процессами ответственными за формирование красной компоненты в спектре излучения рассеиваемого на основной частоте 1ша, являются комбинационное рассеяние падающей электромагнитной волны на ионно-звуковых флукгуациях и (или) переизлучение плазменных волк.

7. Подавление ВРМБ в плазме субкритической плотности, получаемой при облучении мишеней из агара со сравнительно высоким значениями сродней плотности (от 10 мг/см3 до 30 мг/см3), обусловлено наличием в образующейся плазме больших градиентов плотности.

8. Установлено, что периодическая последовательность вспышек рассеиваемого плазмой излучения на частоте гармоники 2ц>о,' наблюдаемая при лазерном облучении пористых мишеней из вспененного полистирола со средней плотностью "10 мг/см3, имеет практически тот же вид, что и в модельных экспериментах по облучению каскадных мишеней из лавсановых пленок микронной толщины. Эти результаты, а> также данные ренттеновских измерений с разрешением во времени и пространстве, позволяют заключить, что механизмом формирования плазмы в малоплотных материалах пленочно-ячеистой структуры с замкнутыми порами (вспененный полистирол) является последовательное прогорание тонких пленок (элементов структуры полистирола). После расширения образующейся плазмы до плотностей ниже критической лазерный пучок начинает воздействовать на следующую пленку и т.д.. Конечно, в процессе последовательного прогорания пленок имеет место взаимодействие плазменных потоке» от соседних плёнок.

9. Выполнен детальный анализ временного хода спектров излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте 1ыо и гармониках 2ыо и 3/2шо в экспериментах с облучаемыми образцами разной толщины из пористых материалов с различной микроструктурой. Это позволило определить условия, когда в результате полного испарения твердотельных структурных элементов и в процессе последующей гомогенизации образующейся плазмы максимальная плотность плазмы на пути распространения лазерного

лучка становится в течение лазерного импульса меньше значения критической плотности, а в некоторых случаях и меньше четверти критической плотности.

10. Экспериментально показано, что излучение гармоники 2шо может быть использовано, как надёжный индикатор наличия в плазме областей с надкритической, плотностью лишь при плотности мощности лазерного излучения на мишени больше-10"Вт/см*.

11. Проанализирована возможность оценки скорости перемещения поверхности,, с критической плотностью в плазменной короне абляционно ускоряемых-мишеней. ПО; измерениям спектральных сдвигов рассеиваемого излучения на рабочей частоте лазера 1io<> и частоте гармоники 2шо. Показано, что более надёжными являются результаты, получаемые при регистрации гармоники 2шо. Для,j корректной интерпретации спектрального сдвига излучения, рассеиваемого, на основной частоте 1(оо, необходим более подробный теоретический анализ процессов, происходящих вблизи поверхности с критической плотностью.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.l. Pergament, V.M. Petryakov, G M. Yankovskii. Light scattering measurement in foam ICF target irradiation experiments. 9th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Lake Tahoe, California, USA,J 26 September-1 October, p.241-250,1999.

2. A.E. Bugrov, I.N. Burdonsky, V.V, Gavrjlov, A.Yu. Goltsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.l. Pergament, V.M. Petryakov, G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukato. Nonlinear interaction processes in experiments on laser irradiation of low-density porous materials, inertial Fusion Sciences and Applications, eds. Ch. Labaurie, W. Hogan, KX Tanaka, State of the art 1999, ELSEVIER, Paris, 2000, pp. 355-358.

3. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, B.B. Гаврилоа, А.Ю. Гольцов, А.И. Громов, С.Ю. Гуськов, Е.В. Жужукало, Н.Г. Ковальский, В.Н. Кондратов, С.Н. Коптяев, С.Ф. Медовщиков, М.И. Пергамент, В.М. Петряков, В.Б. Розанов, Г.М. Янковский. Особенности процессов энергопереноса в малоплотных мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами. Тезисы докладов XXVII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 21-25 февраля 2000 г., с.92.

4. А.Е. Bugrov, I.N. Burdonsky, A_Yu. Goltsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.l. Pergament, V.M. Petryakov, AJV Sorokin, G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukaki.

Advanced plasma diagnostics for investigation of physical processes in laser-irradiated foam targets. Rev. Sci. Instr., 2001, v.72, n. 1, p.652.

5. A.E. Bugrov, t.N. Burdonsky, I.K. Fasahov, V.V. Gavrilov, A.Yu. Goitsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.I. Pergament, V.M. Petryakov. G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukato. Plasma diagnostics in interaction of powerful laser pulses with inhomogeneous low-density media. Advanced Diagnostics for Magnetic and tnertial Fusion, ed. by P.E. Stott, A. Wootton, G. Gorini, E. Sindoni, D. Batani, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, pp.177-180,2002.

6. Vladimir N. Kondrashov, Nikolai N. Demchenko, Valeriy V. Gavrilov, Nikolaiy G. Kovalskiy, Viktor M. Petryakov, George M. Yankovskii. Observation of hydrodynamic effects in laser-irradiated multifoil targets. Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5228, pp.101110

7. George M. Yankovskii, Vladimir N. Kondrashov, Garry V. Anastasiev, Olga L Dedova, lidar K. Fasakhov, Viktor M. Petryakov Time-resolved spectroscopic study of laser-plasma interaction in experiments with bum-through targets, Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5228p. 164-171.

8. Бугров А.Э, Бурдонский И.Н, Гольцов А.Ю, Дедова О.Л, Жужукало Е.В, Ковальский Н.Г, Кондратов В.Н, Пергамент М.И, Петряков В.М. Фасахов И.К. Янковский Г.М. Диагностика быстропротекающих процессов в лазерной плазме в экспериментах по облучению малоплотных сред на установке 'Мишень". Физика плазмы, 2004, т.30, №2, с.163-168.

Список цитируемой литературы:

1) Okada, К. et al. Appl. Phys. Lett. 42. 831 (1983).

2) Emery, M.H. et al. Phys. Fluids В 3,2640 (1991).

3) С.Ю. Гуськов, H.B. Змитренко, В.Б. Розанов, ЖЭТФ, 108,548 <1995).

4) S.Yu. Gus'kov, V.B. Rozanov. "Physics ofthe Laser Green House Target Review of Experimental and Theoretical results", in the book "Advances in Laser Interaction with Matter and Inertia! Fusion", Ed. G. Velarde et al., World Scientific

5) O. WILLI, L BARRINGER, C. VICKERS et al., The Astrophysical Journal Supplement Series, 127, 527 (2000).

M. KOEN1G, A. BENUZZI, B. FARAL et al.. The Astrophysical Journal Supplement Series, 127, 385 (2000).

6) P. Элтон, Рентгеновские лазеры, Москва, Мир, (1994).

7) V. V. Gavrilov, A. Yu. Gottsov et al, X-ray spectral measurements of high-temperature plasma parameters in porous targets irradiated with high-power laser pulses. Quantum Electronics 31(12), 1071-1074, (2001).

Н.Г. Борисенко, А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский и др, Изучение физических процессов в облучаемых мощными лазерными пучками пористых средах с различной микроструктурой, XXXIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 13-17 февраля 2006 г.

8) С.Ю. Гуськов, В. Б. Розанов, Взаимодействие лазерного излучения с пористой Средой и образование неравновесной плазмы, Квантовая электроника, 24, N>8, 715,(1997).

9) J. UNDL, Phys. Plasmas 2, 3933 (1995).

O.L. LANDEN, D R. FARLEY, S.G. GLEND INNING et al.. Rev. Sci. Instaim., 72, 627 (2001).

10) B. A. Remington et al. Phys. Plasmas, 4,1994, (1997).

11) S. Yu. Gtis'kov, Theory of laser-stimulated homogenizatton of regularly volume-structured media and foams, preprint FIAN 49, Moscow (1938).

Publishing and Co. PteLtd., Singapore, p.142, (1997).

12) В А. Болотин, И.Н. Бурдонский, А.Ю. Гольцов и др. Мощная лазерная система на неодимовом фосфатном стекле для проведения комплексных модельных исследований по программе лазерного термоядерного синтеза. Препринт ИАЭ -4967/7, Москва, (1989).

Янковский Георгий Маркович

РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МАЛОПЛОТНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ РАЗЛИЧНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ

Подписано щ печать 16.10.06 Формат 60x641/16 Летать офисная. Усл. нач. а 1А Уч ««эа-||. 1.0 Тираж 70 вка. Закал №

Государственно» оСрамаатгльно* учдоздмт* бУвиего профессионального образования Москоаеяий физмко-тектчеамА институт (государственный университет) НИЧМФТИ

141700, Мое«, обл.. г Долгопрудный, Ииспггутсшй пер., 9

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор работ по тематике диссертации.

Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований

ГЛАВА 2. Экспериментальная база исследований

2.1 Лазерная система установки "Мишень"

2.2 Камеры взаимодействия и исследуемые мишени

2.3 Диагностический комплекс

2.4 Методы и средства диагностики спектров рассеяния лазерной плазмы

2.5 Калибровка и синхронизация диагностик

ГЛАВА 3. Исследование рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в модельных экспериментах по облучению плёночных мишеней.

3.1 Эксперименты по облучению лавсановых плёнок лазерным излучением высокой интенсивности

3.2 Эксперименты по облучению лавсановых плёнок, лазерным излучением сравнительно малой интенсивности

3.3 Эксперименты с наклонным падением лазерного пучка на мишень

3.4 Эксперименты по облучению многоплёночных мишеней

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования рассеяния мощного лазерного излучения в малоплотных пористых средах

4.1 Эксперименты по облучению малоплотных сред

4.2 Обсуждение экспериментальных результатов

4.3 Диагностика плазмы на основе спектрально-временных измерений

Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в малоплотных пористых материалах с различной микроструктурой, применение которых в конструкциях мишеней, используемых в Лазерном Термоядерном Синтезе (JITC), разработках рентгеновских лазеров, исследованиях по физике высоких плотностей энергии и изучении свойств и поведения веществ при экстремальных нагрузках, представляется весьма перспективным и открывает новые возможности успешного решения перечисленных проблем. Разработка и применение в качестве основного диагностического метода спектроскопических измерений излучения, рассеиваемого лазерной плазмой в апертуру фокусирующей линзы, позволило не только получить ценную информацию о свойствах и поведении образующейся в пористых материалах плазмы, но и существенно расширить представления о механизмах нелинейных процессов рассеяния и поглощения, реализуемых при взаимодействия мощного лазерного излучения с неоднородной высокотемпературной плазмой.

Начало серьезных целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований, посвященных нелинейным процессам взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой следует отнести к 70-ым годам прошлого столетия, когда бурное развитие получили работы по проблеме Лазерного Термоядерного Синтеза (ЛТС) [1].

Сильный и достаточно сложный отклик плазмы на мощные световые поля приводит к развитию таких нелинейных явлений, как распадные параметрические неустойчивости, вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ), вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние (ВКР), генерация гармоник, самофокусировка и филаментация лазерного пучка. О проявлении нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой свидетельствуют специфические особенности спектров излучения, рассеиваемого лазерной плазмой [2]. Для проблемы JITC рассеяние и отражение света в плазменной короне у поверхности термоядерной мишени является паразитным эффектом, уменьшающим энерговклад, что ведёт к необходимости увеличения энергии лазерного импульса для достижения эффективного поджига термоядерного топлива. Так например, в зависимости от параметров образовавшейся плазмы и условий облучения за счёт ВРМБ может рассеиваться от нескольких процентов до двадцати процентов энергии падающего на мишень излучения [3]. Наиболее продвинутыми и в лучшей степени удовлетворяющими требованиям проблемы JITC лазерными системами на сегодняшний день являются многоканальные твердотельные лазерные системы на неодимовом стекле, генерирующие импульсы инфракрасного (Af1,054 мкм) излучения наносекундного диапазона.

В настоящее время в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса сооружается лазерная установка "NIF" с суммарной энергией в 192-х лазерных пучках 1,8 МДж на длине волны 0,35 мкм (третья гармоника фундаментальной частоты неодимового лазера), на которой планируется проведение демонстрационного эксперимента по ЛТС [4]. Плотность

1 с * светового потока на поверхности мишени будет составлять -10 Вт/см , что несколько превышает пороговые значения для развития неустойчивостей вынужденного рассеяния и параметрических неустойчивостей [5], подтвержденные многочисленными экспериментами на установках сравнительно небольшого масштаба (высокие плотности мощности при небольших энергиях лазерного импульса легко достигались путем фокусировки лазерного пучка на малую площадку поверхности мишени). Следует также отметить, что наиболее благоприятным для проблемы JITC является классический столкновительный механизм поглощения, поскольку при других механизмах поглощения лазерного излучения, связанных с возбуждением плазменных волн (резонансное поглощение - линейная трансформация электромагнитных волн в плазменные волны вблизи поверхности с критической плотностью псг в плазменной короне или развитие параметрических распадных неустойчивостей в областях плазменной короны с плотностями п=псг и n=nCI/4), при затухании волн рождаются электроны с высокими энергиями. Такие электроны способны проникать в центральные части мишени, нагревать их и, тем самым, препятствовать эффективному сжатию термоядерного топлива. Чтобы избежать опасного прогрева мишени быстрыми электронами, максимальная интенсивность греющего лазерного излучения должна

2 ^ о быть ограничена условием IX, <10 (Вт/см ) мкм [6]. Кроме того, при слишком высоких интенсивностях лазерного излучения, когда осцилляторная скорость электронов в поле световой волны начинает превышать его тепловую скорость, эффективность столкновительного (тормозного) поглощения быстро убывает [7]. Коэффициент тормозного к поглощения имеет вид Kv =—----, где

1 + —-(v /V )2 2 V осц ' тепл / vocU/vTerui)2 = (еЕ)2/шесооТе, a kv- классический коэффициент тормозного поглощения. В этих условиях увеличивается роль резонансного поглощения в области критической плотности. Развитие резонансного поглощения и трёхволновых параметрических неустойчивостей, в которых электромагнитная волна резонансно распадается на две волны, одна из которых - плазменная с высокой фазовой скоростью, приводит, в конечном счете, к образованию нежелательной группы быстрых надтепловых электронов.

В связи с программой JITC достаточно подробным расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям подвергались процессы происходящие в короне плоских и сферических мишеней при интенсивностях наносекундных лазерных импульсов в диапазоне 101310 Вт/см [8]. Однако, к сожалению, отсутствует заслуживающая доверия база экспериментальных данных и строгие теоретические модели, на основе которых можно было бы разобраться и оценить проявления совокупности, зачастую взаимосвязанных и, как правило, многопараметрических процессов поглощения и рассеяния мощного лазерного излучения неоднородной нестационарной плазмой в конкретных условиях облучения. Тем более, что и в работах по программе JITC, и в других исследованиях, касающихся взаимодействия мощных лазерных импульсов с различного рода мишенями, важное место занимает диагностика плазмы, основанная на анализе характеристик рассеиваемого плазмой лазерного излучения на основной частоте ©о и частотах гармоник 1/2соо, 3/2соо и 2соо, генерируемых в результате комбинационного рассеяния лазерного излучения на резонансно возбуждаемых плазменных волнах в областях с плотностями n=l/4ncr и n=ncr. [9]. Данные экспериментов по облучению плоских мишеней наклонно падающим лазерным пучком при интенсивностях импульсов наносекундной длительности в диапазоне 1014-1015 Вт/см2 свидетельствуют, например, о наличии в рассеиваемом плазмой излучении трёх составляющих: зеркально отражаемой, диффузно рассеиваемой и рассеиваемой строго навстречу падающему на мишень пучку [10]. В результате, регистрируемые по различным направлениям спектры рассеяния несут ценную информацию о различных механизмах поглощения и рассеяния, а также о свойствах и поведении плазмы. Анализ пространственной локализации источников, диаграммы направленности и спектрального распределения рассеиваемого плазмой излучения, позволяет судить о процессах взаимодействия в локализованных областях на профиле плотности плазменной короны и таких параметрах плазмы в этих областях как градиент плотности, температура ионов и электронов, скорость разлёта плазмы. Поскольку объектом исследования является неоднородная высокотемпературная плазма, в которой во время эксперимента меняются характерный масштаб неоднородности плотности, температура, скорость расширения плазмы, то для анализа развития процессов взаимодействия и оценки параметров плазмы необходимо применение спектральных диагностик с временным разрешением. Однако, интерпретация спектрально-временных данных сопряжена с определёнными трудностями, главная из которых заключается в многообразии процессов взаимодействия, развивающихся одновременно и влияющих друг на друга, а значит и на спектрально-временную структуру рассеиваемого излучения. Например, на развитие неустойчивостей типа ВРМБ и ВКР могут влиять [11-15]:

- обратное тормозное поглощение;

- резонансное поглощение (линейная трансформация электромагнитной волны в плазменную волну вблизи поверхности с критической плотностью в плазменной короне при наклонном падении на плоскую мишень лазерного пучка р-поляризованного излучения);

- отражение излучения от областей плазмы с критической плотностью;

- самофокусировка и филаментация лазерного пучка;

- неизбежно присутствующие в плазме шумы, в значительной мере зависящие от параметров плазмы и начальной структуры мишени, которые могут служить затравкой для развития различного рода неустойчивостей;

- вторичные процессы распада (слияния) плазменных и ионно-звуковых волн.

В случае, когда рассеяние света в исследуемом спектральном диапазоне обусловлено сразу несколькими процессами, то для расшифровки полученных спектральных данных требуется выявление и анализ характерного вклада в формирование спектра, вносимого каждым отдельным процессом. Так например, наличие длинноволнового ("красного") крыла спектральной линии рассеиваемого на основной частоте излучения, регистрируемого в направлении навстречу нормально падающему на плоскую твердую мишень лазерному пучку, может быть связано и с отражением света от области плазмы с критической плотностью, и с ВРМБ, и с переизлучением плазменных волн (распад плазменной волны на ионно-звуковую и электромагнитную) [16] и с комбинационным рассеянием лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуациях [17]; а основная компонента спектра второй гармоники может быть обусловлена слиянием и двух плазменных волн, и плазменной волны с электромагнитной волной [18]. В связи с этим, возникает необходимость в тщательном обдумывании постановки модельных экспериментов и реализации таких условий, при которых число одновременно развивающихся процессов взаимодействия было бы минимальным, что существенно упрощает интерпретацию регистрируемых спектров рассеяния. В модельных экспериментах чаще всего облучаются плоские массивные мишени и тонкие фольги из различных материалов, а условия облучения выбираются такими, чтобы разлет образующейся плазмы соответствовал представлениям одномерной гидродинамической модели. При этом в экспериментальных исследованиях существенно расширяются диагностические возможности и намного упрощаются расчетно-теоретические исследования.

Различные процессы рассеяния локализованы, как правило, в разных областях на профиле плотности плазмы. Проводившиеся исследования процессов рассеяния в плазме можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся эксперименты с заранее подготовленной протяжённой плазмой субкритической плотности (от псг до -0,1 псг). В таких опытах процессы взаимодействия лазерного излучения с плазмой исследуются в условиях, когда характерные пространственные масштабы изменения плотности плазмы намного превышают длину волны лазерного излучения, а участие в изучаемых процессах электромагнитных волн, отражаемых от области плазмы с критической плотностью, исключено. Вторая группа представлена экспериментами по взаимодействию лазерного излучения с расширяющейся плазмой, образующейся при облучении твёрдотельных мишеней, в том числе тонких фольг и пленок В этом случае в плазме распространяются как падающая электромагнитная волна, так и волна, отражённая от областей плазмы с критической плотностью, и исследуемые процессы взаимодействия происходят в поле двух электромагнитных волн. В многочисленных работах экспериментально и теоретически исследовалось влияние на процессы рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения в плазменной короне у поверхности облучаемых плоских и сферических мишеней: характерного масштаба неоднородности плотности L (в диапазоне от ~10 до 1000 лазерных длин волн); атомного номера материала мишени Z; температур

4 | / fS электронов Те и ионов Т,; интенсивности I (в диапазоне 10 -10 Вт/см ) и длительности т лазерного импульса наносекундного и субнаносекундного диапазонов для излучения с разными длинами волн [19,20]. Эксперименты с массивными мишенями твердотельной плотности позволяют обнаружить и идентифицировать характерные особенности структуры на временных развертках спектров и основные тенденции развития процессов рассеяния и поглощения при сравнительно небольших значениях L в условиях квази-стационарных профилей плотности, формируемых при длительностях лазерного импульса наносекундного диапазона.

Весьма интересными и информативными являются эксперименты с "прогорающими" во время лазерного импульса тонкими металлическими фольгами и органическими пленками. Термин "прогорающая" относится к мишеням, толщина которых такова, что время распространения тепловой волны от облучаемой поверхности мишени до ее тыльной поверхности меньше длительности лазерного импульса. В интересующих нас условиях при лазерных импульсах наносекундного диапазона и плотностях светового потока 1013-1015 Вт/см в течение лазерного импульса образование высокотемпературной плазмы происходит по всей толщине мишени для металлических фольг и пленок микронной и субмикронной толщины. Если время прогорания мишени много меньше характерного времени гидродинамического разлета образующейся плазмы, то реализуется хорошо известный из исследований по JITC вариант "взрывающейся оболочки" [21] с симметричным профилем плотности расширяющейся плазмы. Если же используются мишени такой толщины, что прогорание наступает в самом конце импульсов наносекундной длительности, то в процессе лазерного облучения профиль плотности формируется в основном за счет плазмы, расширяющейся навстречу лазерному пучку. Таким образом, привлекательной особенностью применения тонких мишеней, является возможность проведения модельных экспериментов, в которых за счёт разлёта плазмы, профиль плотности проходит стадии эволюции, в которых присутствует плазма с определённой максимальной плотностью, что позволяет исследовать процессы, локализованные в разных областях на профиле плотности, а также позволяет выявить изменения в спектрах, связанные с наличием отражённых волн (как плазменных, так и электромагнитных). В экспериментальной практике в качестве индикаторов наличия в плазме областей соответствующей плотности довольно часто используют регистрируемое свечение гармоник [22]. Например, исчезновение ранее регистрировавшейся в спектре рассеиваемого излучения основной спектральной компоненты второй гармоники, обусловленной слиянием падающей электромагнитной волны с плазменной либо слиянием двух плазменных волны, возбуждаемых в неоднородной плазме в области с критической плотностью за счёт процесса линейной трансформации лазерного излучения, указывает на то, что максимальная плотность плазмы на пути распространения лазерного пучка стала ниже критического значения. А исчезновение гармоники 3/2со0 в спектре рассеиваемого излучения свидетельствует о дальнейшем уменьшении максимальной плотности плазмы до значений ниже четверти критической плотности. Сказанное выше реализуется в условиях, типичных для экспериментов по облучению субмикронных металлических фольг и органических пленок мощными лазерными импульсами наносекундного диапазона, когда прогорание мишени и образование в дальнейшем расширяющейся плазмы происходит в начале лазерного импульса [23,24] (следует, однако, учитывать влияние целого ряда других процессов, способствующих подавлению генерации гармоник в неоднородной плазме и затрудняющих однозначную интерпретацию наблюдаемых исчезновений гармоник в регистрируемых спектрах рассеяния).

Остановимся теперь на специфических особенностях процессов рассеяния и поглощения мошного лазерного излучения в мишенях из пористых материалов с малой средней плотностью, использование которых открывает перспективные возможности формирования плазмы с качественно новыми характеристиками [25,26]. Варьируя структуру, среднюю плотность и толщину пористых мишеней можно реализовать объемное поглощение лазерного излучения. При этом будет существенно увеличена доля энергии лазерного импульса, конвертируемая во внутреннюю энергию создаваемой внутри облучаемого образца плазмы, по сравнению с той энергией, которая приходится на гидродинамическое расширение плазмы навстречу лазерному пучку и преобладает при облучении твердотельных мишеней. В принципе, появляется возможность формирования достаточно протяженных областей квазиоднородной высокотемпературной плазмы сравнительно высокой плотности или, по крайней мере, возможность независимо управлять плотностью и температурой плазмы в достаточно широких пределах [27], что чрезвычайно трудно реализовать при облучении обычных мишеней из материалов твердотельной плотности, когда плотность и температура в образующейся плазменной короне над облучаемой поверхностью меняются самосогласованно. Плазма, создаваемая при лазерном облучении пористых мишеней является новым достаточно сложным объектом привлекающим в последнее время все больше исследователей [28-30]. В условиях пористого вещества поглощение и рассеяние мощного лазерного излучения, механизмы переноса энергии и гидродинамические процессы имеют весьма специфический характер и в существенной степени определяются микроструктурой используемого материала. Целенаправленные исследования влияния микроструктуры пористых мишеней на спектрально-временные характеристики излучения рассеиваемого плазмой, образующейся при лазерном облучении малоплотных пористых сред, ни в других отечественных, ни в зарубежных лабораториях не проводились.

Оригинальный экспериментальный подход, реализованный в рамках данной диссертационной работы, заключается в предварительном проведении модельных экспериментов, в которых облучались лавсановые пленки различной толщины (0,8-20 мкм) и каскадные мишени из нескольких равноудаленных друг от друга лавсановых пленок, расположенных вдоль направления распространения лазерного пучка. Варьируя толщину пленок, расстояние между ними и интенсивность лазерных импульсов, подробно изучались спектрально-временные характеристики рассеиваемого излучения и идентифицировались реализуемые механизмы поглощения, рассеяния и генерации гармоник в условиях, позволяющих проводить численные гидродинамические расчеты по программам, основанным на хорошо проверенных теоретических моделях. Выбор лавсановых пленок в качестве моделей элементов структуры пористых мишеней обусловлен близостью их химического состава к составу используемых в экспериментах гетерогенных малоплотных сред, а набор равноудаленных друг от друга лавсановых пленок образует регулярную структуру элементов каскадной мишени, среднюю плотность которой можно менять контролируемым образом. На следующем этапе экспериментальных работ исследовалось взаимодействие лазерных импульсов с малоплотными пористыми материалами различной микроструктуры (arap-fC^HigOc)],,, вспененный полистирол-[СН]П), и интерпретация полученных данных проводилась на основе их сопоставления с результатами модельных экспериментов. Важным практическим результатом этой работы можно считать разработку метода определения характерных времен прогорания тонких плёнок и гомогенизации образующейся плазмы в мишенях из малоплотных пористых материалов на основе анализа временных развёрток спектров излучения, рассеиваемого на основной частоте лазера и частоте второй гармоники. Полученные в работе данные позволяют дать рекомендации относительно выбора структуры, средней плотности и размеров пористого материала, а также условий облучения, наиболее подходящих для лазерных мишеней различных применений. Анализ полученных в работе данных способствовал существенному расширению наших представлений о процессах взаимодействия мощного лазерного излучения с неоднородной плазмой.

Выполнение намеченной программы экспериментальных исследований потребовало развития диагностических методов, основанных на регистрации излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте облучающего мишень лазерного пучка 1сэ0 и частотах гармоник 2юо и 3/2соо с высоким спектральным и временным разрешением. В работе одновременно использовались традиционные оптические и рентгеновские методики, обеспечиваемые диагностическим комплексом установки "Мишень" [31]. Для анализа спектральных экспериментальных данных применялись специальные и общедоступные программные средства математической обработки.

Диссертационная работа выполнялась на экспериментальной установке "Мишень", включающей двухканальную импульсную лазерную систему на неодимовом фосфатном стекле. Выходные параметры основного пучка лазерной системы: длина волны излучения Х= 1,055 мкм; длительность импульса т = 3 не; энергия импульса Е <100 Дж. Средняя плотность мощности излучения в фокальном пятне диаметром 200-250 мкм на мишени варьировалась в разных выстрелах в диапазоне 1012-3'1014Вт/см2.

Научная новизна и практическая значимость представленных исследований.

Новый вид плазменного объекта исследования - плазма, полученная при облучении мощным лазерным излучением мишеней из малоплотных пористых материалов, является новым и сложным объектом, и комплексное исследование процессов рассеяния и поглощения на основе спектрально-временного анализа рассеянного лазерного излучения и генерируемых в плазме гармоник 2щ и 3/2ю0 проводиться впервые. Оригинальность подхода данной работы заключается в сранительном анализе спектрально-временных данных, полученных при облучении малоплотных пористых сред различной структуры с данными, накопленными в модельных эксперментах по облучению плёночных мишеней. Тщательный подход в применении диагностических средств, а именно, настройка диагностических каналов строго на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, и контроль за условиями облучения (форма импульса, спектральный состав) в каждой серии экспериментов, позволили получить новые результаты по процессам рассеяния и поглощения в высокотемпературной плазме околокритической плотности. Применявшиеся в данной работе методы настройки и синхронизации диагностических каналов являются необходимыми для получения надёжных экспериментальных данных, позволяющих анализировать динамику процессов взаимодействия. Зарегистрированные в одном выстреле временные развёртки спектров излучения, рассеянного назад в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте и частотах гармоник 2со0 и 3/2шо составляют основной набор экспериментальных данных, полученных в данной работе. Стабильность и высокое качество используемых методов диагностики, позволило обнаружить наличие характерных структур спектрально-временных распределений рассеянного излучения на частоте 1шо в экспериментах по облучению, как плоских твёрдотельных мишеней, так и мишеней из малоплотных пористых материалов. Анализ спектрально-временных данных и их сопоставление с результатами других методик позволил идентифицировать процессы рассеяния, разыгрывающиеся в области плазмы околокритической плотности. Показано, что в зависимости от условий эксперимента определяющую роль могут играть: вынужденное рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), отражение лазерного излучения, процесс переизлучения плазменных волн (распад ленгмюровской волны на электромагнитную и ионно-звуковую), а также комбинационное рассеяние лазерного излучения на ионно-звуковых флуктуациях. В экспериментах с малоплотными пористыми средами впервые обнаружено, что локализация на профиле плотности плазмы процессов, приводящих к рассеянию лазерного излучения, зависит от структуры и средней плотности материала мишени. Удалось также обнаружить, что в плазме пористых мишеней достаточно долго могут существовать области с плотностями, превышающими критическую плотность, что расходится с существовавшими ранее теоретическими предсказаниями [32] о том, что стадия гомогенизации плазмы в условиях нашего эксперимента для мишеней из агар должна завершиться за -300-500 пс.

Разработанные и апробированные диагностические методы представляют собой эффективное средство диагностики процессов взаимодействия лазерного ислучения с протяжённой плазмой, образующейся при облучении пористых сред. Развитые в работе диагностические методы представляют интерес и с точки зрения возможности их применения для диагностики плазмы с плотностью, близкой к псг, а также могут быть эффективно использованы для диагностики прогорания тонких фольг (плёнок) и гомогенизации плазмы в каскадных мишенях и тонких слоёв малоплотных пористых материалов. Все перечисленные аспекты делают разработанные методики достаточно перспективными при разработке элементов конструкций многослойных мишеней для крупномасштабных экспериментов по JITC.

Экспериментальные результаты, представленные в работе, могут быть использованы для проверки теоретических моделей, отработки численных расчётов и экспериментального моделирования быстропротекающих гидродинамических процессов в высокотемпературной плазме, полученной при облучении мишеней из малоплотных пористых сред.

Целью работы явилось исследование процессов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения при облучении малоплотных пористых сред с различной микроструктурой.

В первой главе представлен обзор работ, посвященных вопросам взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами и генерации гармоник лазерного излучения в высокотемпературной неоднородной плазме. Проведён анализ экспериментальных результатов различных научных коллективов, занимавшихся исследованием характеристик рассеиваемого плазмой излучения и генерируемых в плазме гармоник лазерного излучения. Обсуждаются вопросы диагностики лазерной плазмы на основе характеристик рассеиваемого плазмой излучения. Формулируются задачи и цели диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию лазерной установки "Мишень" на неодимовом стекле, созданной для проведения работ по исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, камеры взаимодействия и диагностической аппаратуры, используемой в экспериментах. Основное внимание уделяется методам и средствам регистрации с высоким временным и спектральным разрешением излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте лазера и частотах гармоник 2а>о и 3/2а>о. Описаны методы настройки, синхронизации и калибровки диагностической аппаратуры. Приводятся краткие сведения о применяемых на установке "Мишень" традиционных оптических и рентгеновских методиках. Описаны условия проведения экспериментов, и приведены характеристики использовавшихся в экспериментах мишеней.

В третей главе представлены результаты исследования рассеяния и поглощения лазерного излучения в модельных экспериментах по облучению плёночных мишеней. В качестве мишеней использовались как прогорающие, так и непрогорающие в течении лазерного импульса лавсановые плёнки, а также каскадные мишени из нескольких равноотстоящих друг от друга пленок, моделирующих пористые среды с квази-упорядоченной ячеистой структурой. В случае облучения толстых нерпрогорающих лавсановых плёнок измерения выполнялись как при нормальном, так и при наклонном (22° и 45°) падении лазерного пучка на 1 мишень. При этом проводились эксперименты как при низких (~10 Вт/см2 ), так и при высоких (~1014 Вт/см2) плотностях мощности лазерного излучения на мишени. Экспериментальные данные сравниваются с результатами численного моделирования. В дополнение к спектральным данным представлены данные, полученные с помощью оптических и рентгеновских диагностик. Проведён анализ спектрально-временной структуры рассеянного излучения на основной частоте и частотах гармоник 2щ и 3/2шо- Продемонстрирована возможность идентификации реализуемых механизмов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения, и диагностики создаваемой плазмы путем сопоставления эволюции специфических особенностей спектров рассеяния на основной частоте ©о и частотах гармоник 2со0 и 3/2со0

В четвёртой главе приводятся и обсуждаются результаты, полученные в экспериментах по облучению малоплотных пористых материалов различной средней плотности и структуры (агар и о о вспененный полистирол со средней плотностью от 2 мг/см до 30 мг/см и толщиной от 100 мкм до 400 мкм). Проведён анализ спектрально-временной структуры рассеиваемого излучения на основной частоте 1шо и частотах гармоник 2щ и 3/2со0- Выявлена зависимость спектрально-временных данных от структуры и средней плотности пористого материала мишени. Представлены также данные, полученные с помощью оптических и рентгеновских диагностик, которые дают полезную информацию о формировании плазмы в облучаемых пористых образцах. На основе анализа спектрально-временных данных идентифицированы процессы рассеяния лазерного излучения в плазме околокритической плотности, обсуждаются возможности оценки параметров плазмы в этой области. Анализ спектрально-временных характеристик излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте со0 и гармониках 2соо и 3/2со0 в экспериментах с облучаемыми образцами разной толщины из малоплотных пористых материалов с различной микроструктурой, позволил определить условия, при которых в результате полного испарения твердотельных структурных элементов и в процессе гомогенизации образующейся плазмы максимальная плотность плазмы на пути распространения лазерного пучка в первоначально пористой среде становится в течение лазерного импульса меньше значения критической плотности, а в некоторых случаях и меньше четверти критической плотности.

В заключении представлены основные выводы работы.

Материалы диссертации докладывались на: -XXVI, XXVII, XXVIII, XXIX, XXX, XXXI Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -99, -00, -01, -02, -03, -04);

-First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 12-17 September 1999, Bordeaux, France;

- 26th European Conference on Laser Interaction with Matter, 12-16 June 2000, Prague, Czech Republic;

- Second International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan;

-28th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, 18-22 June 2001, Madeira Techpolo, Funchal, Portugal;

- 27th European Conference on Laser Interaction with Matter, September 2002, Moscow, Russia;

- IV Харитоновские тематические научные чтения. Международная конференция, г. Саров, Россия 2002;

-ЗОЛ EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11,2003;

- XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter, Roma, Italy, 6-10 September, 2004,

-Уравнение состояние вещества. Международная конференция, Эльбрус, Россия 2006.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, G.M. Yankovskii. Light scattering measurement in foam ICF target irradiation experiments. 9th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Lake Tahoe, California, USA, 26 September-1 October, p.241-250,1999.

2. A.E. Bugrov, I.N. Burdonsky, V.V. Gavrilov, A.Yu. Goltsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukalo. Nonlinear interaction processes in experiments on laser irradiation of low-density porous materials. Inertial Fusion Sciences and Applications, eds. Ch. Labaune, W. Hogan, K.A. Tanaka, State of the art 1999, ELSEVIER, Paris, 2000, pp. 355-358.

3. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, B.B. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, А.И. Громов, С.Ю. Гуськов, Е.В. Жужукало, Н.Г. Ковальский, В.Н.

Кондратов, С.Н. Коптяев, С.Ф. Медовщиков, М.И. Пергамент, В.М. Петряков, В.Б. Розанов, Г.М. Янковский. Особенности процессов энергопереноса в малоплотных мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами. Тезисы докладов XXVII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 21-25 февраля 2000 г., с.92.

4. А.Е. Bugrov, I.N. Burdonsky, A.Yu. Goltsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, A.A. Sorokin, G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukalo. Advanced plasma diagnostics for investigation of physical processes in laser-irradiated foam targets. Rev. Sci. Instr., 2001, v.72, n. 1, p.652.

5. A.E. Bugrov, I.N. Burdonsky, I.K. Fasahov, V.V. Gavrilov, A.Yu. Goltsov, V.N. Kondrashov, N.G. Kovalsky, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, G.M. Yankovskii, E.V. Zhuzhukalo. Plasma diagnostics in interaction of powerful laser pulses with inhomogeneous low-density media. Advanced Diagnostics for Magnetic and Inertial Fusion, ed. by P.E. Stott, A. Wootton, G. Gorini, E. Sindoni, D. Batani, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, pp. 177180,2002.

6. Vladimir N. Kondrashov, Nikolai N. Demchenko, Valeriy V. Gavrilov, Nikolaiy G. Kovalskiy, Viktor M. Petryakov, George M. Yankovskii. Observation of hydrodynamic effects in laser-irradiated multifoil targets. Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5228, pp.101-110.

7. George M. Yankovskii, Vladimir N. Kondrashov, Garry V. Anastasiev, Olga L. Dedova, Ildar K. Fasakhov, Viktor M. Petryakov Time-resolved spectroscopic study of laser-plasma interaction in experiments with burn-through targets, Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5228pp. 164-171.

8. Бугров А.Э, Бурдонский И.Н, Гольцов А.Ю, Дедова O.JI, Жужукало Е.В, Ковальский Н.Г, Кондратов В.Н, Пергамент М.И, Петряков В.М, Фасахов И.К. Янковский Г.М. Диагностика быстропротекающих процессов в лазерной плазме в экспериментах по облучению малоплотных сред на установке "Мишень". Физика плазмы, 2004, т.30, №2, с.163-168.

Положения, выносимые на защиту.

1. Впервые в экспериментах по облучению пористых малоплотных л

2-30мг/см) материалов различной микроструктуры лазерными импульсами ( X = 1,054 мкм, т = 3 не ) с интенсивностью в диапазоне 1013-3 1014 Вт/см2 выполнены комплексные исследования спектрально-временных характеристик излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте излучения лазера 1ш0 и гармониках 2ш0 и 3/2ю0.

2. Обнаружено, что спектрально-временные распределения излучения, рассеиваемого на основной частоте 1со0, имеют однокомпонентную структуру (красная компонента) при облучении пористых мишеней из агара средней плотности 10-30 мг/см и двухкомпонентную структуру (красная и синяя) при облучении мишеней из вспененного полистирола с плотностью от 5 мг/см до 25 мг/см и агара с плотностью от 2 мг/см до ~5 мг/см3.

3. В экспериментах по облучению малоплотных пористых мишеней продемонстрирована возможность идентификации механизмов рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения, а также диагностики гидродинамики создаваемой плазмы путем сопоставления эволюции спектров рассеяния на основной частоте 1ш0 и частотах гармоник 2щ и 3/2ш0 с результатами модельных экспериментов.

4. Процессы рассеяния излучения на основной частоте 1ю0, локализованные в плазме околокритической плотности, ответственны за формирование красной спектральной компоненты, а процессы, локализованные в областях плазмы с субкритическими плотностями, ответственны за формирование синей спектральной компоненты.

5. Вероятными процессами ответственными за формирование красной компоненты в спектре излучения рассеиваемого на основной частоте 1а>о, являются комбинационное рассеяние падающей электромагнитной волны на ионно-звуковых флуктуациях и (или) переизлучение плазменных волн (распад на ионно-звуковую и электромагнитную). 6. Подавление ВРМБ в плазме субкритической плотности, получаемой при облучении мишеней из агара со сравнительно высоким значениями л ^ средней плотности (от 10 мг/см до 30 мг/см ) обусловлено большими градиентами плотности образующейся плазмы.

7. На основе анализа спектрально-временных характеристик рассеиваемого плазмой излучения предложен и обоснован механизм формирования и гомогенизации плазмы при облучении пористых мишеней.

Заключение

Для исследования процессов поглощения и рассеяния в высокотемпературной лазерной плазме, получаемой при облучении малоплотных пористых сред различной микроструктуры - агара (беспорядочная волокнисто-пленочная структура, открытые поры) и вспененного полистирола (пленочно-ячеистая структура, замкнутые поры) - мощным лазерным излучением (I~ 1014 Вт/см2), был разработан и внедрён в эксперимент, комплекс спектрально-временных оптических методов диагностики. Регистрация в каждом эксперименте с временным и спектральным разрешением спектров излучения, рассеиваемого плазмой на основной частоте излучения лазера 1юо и частоте гармоники 2юо (или на основной частоте 1юо и частоте гармоники 3/2юо), в сочетании с измерениями, выполнявшимися с использованием традиционных оптических и рентгеновских методов, применявшихся на установке "Мишень", позволила получить ценную информацию о специфике взаимодествия мощного лазерного излучения с пористыми мишенями.

Реализованный в данной работе тщательный подход к применению диагностических методов и средств, в том числе настройка диагностических каналов на один и тот же диагностируемый объём, калибровка и синхронизация диагностической аппаратуры, а также контроль в каждом эксперименте условий облучения (форма импульса, спектральный состав излучения, размеры пятна фокусировки) позволил получить новые результаты, существенно расширившие представления о механизмах рассеяния лазерного излучения в высокотемпературной плазме с околокритической плотностью.

1. Впервые в экспериментах по облучению пористых малоплотных (2-30 мг/см) материалов различной микроструктуры лазерными импульсами ( X = 1,054 мкм, г = 3 не ) с интенсивностью в диапазоне

1013—1014 Вт/см2 выполнены комплексные исследования спектрально-временных характеристик излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте излучения лазера 1со0 и гармониках 2о>о и 3/2со0.

2. При облучении малоплотных пористых сред, с плотностями от 2 Я мг/см до 30 мг/см обнаружена зависимость временной структуры спектров излучения, рассеиваемого в апретуру фокусирующей линзы на основной частоте lcoo, от средней плотности и микроструктуры материала мишени.

3. Экспериментально установлено, что при облучении пористых л мишеней из агара со средней плотностью 10-30 мг/см временные развертки спектра излучения, рассеиваемого на основной частоте 1соо> представляют собой однокомпонентную структуру (красная компонента). При облучении мишеней из вспененного полистирола с плотностью от 5 мг/см до 25 мг/см и агара с плотностью от 2 мг/см до ~5 мг/см3 наблюдается двухкомпонентная структура спектра (красная и синяя)

4. В экспериментах по облучению малоплотных пористых мишеней продемонстрирована возможность идентификации физических механизмов, ответственных за рассеяние и поглощение мощного лазерного излучения. Показана возможность определения параметров образующейся плазмы путем сопоставления эволюции спектров рассеяния на основной частоте lcoo и частотах гармоник 2со0 и 3/2о>о с результатами модельных экспериментов.

5. Анализ совокупности накопленных экспериментальных данных позволил заключить, что за формирование красной спектральной компоненты ответственны процессы рассеяния излучения на основной частоте 1а>о, локализованные в плазме околокритической плотности, тогда как за формирование синей спектральной компоненты ответственны процессы, локализованные в областях плазмы с субкритическими плотностями.

6. Наиболее вероятными, процессами ответственными за формирование красной компоненты в спектре излучения рассеиваемого на основной частоте ltoo, являются комбинационное рассеяние падающей электромагнитной волны на ионно-звуковых флуктуациях и (или) переизлучение плазменных волн.

7. Подавление ВРМБ в плазме субкритической плотности, получаемой при облучении мишеней из агара со сравнительно высоким значениями средней плотности (от 10 мг/см до 30 мг/см ), обусловлено наличием в образующейся плазме больших градиентов плотности.

8. Установлено, что периодическая последовательность вспышек рассеиваемого плазмой излучения на частоте гармоники 2too, наблюдаемая при лазерном облучении пористых мишеней из вспененного полистирола со средней плотностью ~10 мг/см3, имеет практически тот же вид, что и в модельных экспериментах по облучению каскадных мишеней из лавсановых пленок микронной толщины. Эти результаты, а также данные рентгеновских измерений с разрешением во времени и пространстве, позволяют заключить, что механизмом формирования плазмы в малоплотных материалах пленочно-ячеистой структуры с замкнутыми порами (вспененный полистирол) является последовательное прогорание тонких пленок (элементов структуры полистирола). После расширения образующейся плазмы до плотностей ниже критической лазерный пучок начинает воздействовать на следующую пленку и т.д. Конечно, в процессе последовательного прогорания пленок имеет место взаимодействие плазменных потоков от соседних плёнок.

9. Выполнен детальный анализ временного хода спектров излучения, рассеиваемого плазмой в апертуру фокусирующей линзы на основной частоте 1со0 и гармониках 2со0 и 3/2соо в экспериментах с облучаемыми образцами разной толщины из пористых материалов с различной микроструктурой. Это позволило определить условия, когда в результате полного испарения твердотельных структурных элементов и в процессе последующей гомогенизации образующейся плазмы максимальная плотность плазмы на пути распространения лазерного пучка становится в течение лазерного импульса меньше значения критической плотности, а в некоторых случаях и меньше четверти критической плотности.

10. Экспериментально показано, что излучение гармоники 2со0 может быть использовано как надёжный индикатор наличия в плазме областей с надкритической плотностью лишь при плотности мощности ji л лазерного излучения на мишени больше ~ 10 Вт/см .

11. Проанализирована возможность оценки скорости перемещения поверхности с критической плотностью в плазменной короне абляционно ускоряемых мишеней по измерениям спектральных сдвигов рассеиваемого излучения на рабочей частоте лазера 1со0 и частоте гармоники 2соо- Показано, что более надёжными являются результаты, получаемые при регистрации гармоники 2со0- Для корректной интерпретации спектрального сдвига излучения, рассеиваемого на основной частоте 1со0> необходим более подробный теоретический анализ процессов, происходящих вблизи поверхности с критической плотностью.

1. Kroll N., Rostoker N., Phys. Rev. Lett., v. 13, 83; (1964).

2. Dubois D. F., Goldman M. V., Ibid., v. 14, 544; (1965). Jha S. S., Phys. Rev., v. 140, A2020; (1965). Bloembergen N., Shen Y. R., Ibid., v. 141,298, (1966).

3. J.Handke, S.A.H. Rizvi, B.Kronast. Nonlinear wave process revealed in the spectra of stimulated Brillouin scattering. , Phys.Rev.Lett. v.51, n.18, 1660, 158,(1983).

4. В. П. Силин, О сдвиге и уширении линий излучения при параметрической неустойчивости плазмы, Краткое сообщение по физике №10,1979, УДК 533.9.

5. L. М. Goldman, W. Seka et al., The use of laser harmonic spectroscopy as a target diagnostic, CAN. J. PHYS. 64,969, (1986).

6. M. Goldman, J. Soures, and M. J. Lubin, Saturation of Stimulated Backscattered Radiation in Laser Plasmas, Phys. Rev. Lett. 31,1184, (1973).

7. R.L.Kauffman. Measurements of absorption and Brillouin sidescattering from planar plasmas produced by 0.53 |im laser light. Phys.Fluids, B1 (6), 1295,(1989).

8. Дж. Дюдерштадт, Г. Мозес. Инерционный термоядерный синтез, Москва, Энергоатомиздат, стр 16, (1984).1.ser Program Annual Reports, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-50021,1973 to present.

9. M. N. Rosenbluth, R. Z. Sagdeev, Handbook of Plasma Physics, vol.3 Physics of Laser Plasma, A. Rubenchik, S. Witkovski, Elsevier Science Publishers B.V, 1991, p. 377.

10. Forslund et al., Phys. Rev. Lett. 39,284, (1977).

11. K. Estabrook, W. L. Kruer, Phys. Rev. Lett. 40,40, (1978)

12. Shalom Eliezer, The intereaction of high power lasers with plasma, IOP Publishing LTD, стр. 79, (2002).

13. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, Ю. В. Афанасьев и др., серия Радиотехника, том 17, Москва (1978).

14. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, Н. Г. Басов и др., серия Радиотехника, том 26, Москва (1982).

15. L.M. Goldman, W.Seka, K.Tanaka, et al. The use of laser harmonic spectroscopy as a target diagnostic. Can. J. Phys. 64, p. 969, (1986)

16. D.R.Gray, J.Murdoch, S.M.Sim, A.J. Cole, R.G.Evans, W.T.Toner, Time-resolved spectroscopic studies of laser-produced plasmas. Plasma Physics, v.22, p.967, (1980)

17. А. А. Андреев и др., Исследование энергетических и спектральных характеристик света, рассеянного лазерной плазмой, Квантовая электроника, 10, № 7, стр. 1324, (1983).

18. C.Labaune, Н.А. Baldis, N.Renard, E.Schifano, A.Michard. Interplay between ion-acoustic waves and electron plasma waves with Brillouin and Raman scattering. Phys of Plasmas, v.4, n.2, p.423, (1997).

19. В. П. Силин, Поглощение излучения турбулентной лазерной плазмой, УФН, том 145, вып.2, стр. 226, (1985).

20. V.Yu.Bychenkov, W.Rozmus, A.V.Brantov, V.T.Tikhonchuk. Theory of filamentation instability and stimulated Brillouin scattering with nonlocal hydrodynamics. Phys.Plasmas, 7(5), 1511, (2000).

21. R.P. Drake, Kent Estabrook, R.G.Watt. Greatly enhanced acoustic noise and the onset of stimulated Brillouin scattering. Phys.Plasmas, v.4 (5), p. 1825, (1997).

22. R. J. Focia, D. S. Montgomery, J. C. Fernandez, R. P. Johnson, Observation of multiple cascade steps of the langmuir decay instability in a laser plasma, 2001, To appear in Phys. Rev. Lett.

23. JI. В. Крупнова, В. П. Силин, В. Т. Тихончук, Переизлучение света в параметрически турбулентной лазерной плазме, Физика плазмы, том 5, вып. 2, (1979).

24. В.Ю. Быченков, В.П. Силин, Об аномально большом поглощении и об аномально большом рассеянии в турбулентной лазерной плазме, Физика плазмы, том 9, вып. 2, (1983).

25. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, Н. Г. Басов и др., серия Радиотехника, том 26 стр. 217, Москва (1982).

26. В.В.Александров, М.В.Бреннер, Н.Г.Ковальский, С.В.Лобурев,

27. P.D.Carter, S.M.L.Sim, T.P.Hughes. Time-resolved spectroscopy of second harmonic emission from laser irradiated microballoons. Optics Communications, v.27 (3), p.423, (1978).

28. R.P.Drake, R.L.Kauffman, B.F. Lasinski, M.D.Cable, L.J. Suter, and. F.Ze. The angular dependence of the absorption of 0.35 fim laser light by high-Z, laser-produced plasmas. Phys.Fluids, B3 (12), 3477, (1991).

29. J.C. Fernandez, J.A.Cobble, B.H.Failor, W.W.Hsing, H.A.Rose,

30. B.H.Wilde, K.S.Bradley, P.L.Gobby, R.Kirkwood, H.N.Kornblum, D.S.Montgomery, M.D.Wilde. Dependence of stimulated Brilloiun scattering on laser intensity, laser / number, and ion species in hohlraum plasmas. Phys.Rev. E, v.53, n.3, p.2747, (1996).

31. V.Yu.Bychenkov, A.A.Zozulya, V.P.Silin, V.T.Tichonchuk, Half-integer harmonics generation in laser-produced plasma, Beitr. Plasmaphys., v.23, n.3, p.331-340, (1983).

32. G.P.Banfi, K.Eidmann and R.Sigel, Reflection and scattering from laser-irradiated solid targets at a wavelength of 0.44 fim, Optics Communications, v.52, n.l, p.35, (1984).

33. R.P.Drake, D.W.Phillion, Kent Estabrook, R.E.Turner, R.L.Kauffman and E.M.Campbell. Hydrodynamic expansion of exploding-foil targets irradiated by 0.53 \im laser light. Phys.Fluids, B1 (5), 1089, (1989).

34. R.P.Drake, R.E.Turner, B.F. Lasinski, E.M.Campbell, W.L. Kruer, E.A.Williams, and R.L.Kauffman. Measurements of absorption and Brillouin sidescattering from planar plasmas produced by 0.53 |im laser light. Phys.Fluids, B1 (6), 1295, (1989).

35. R.E. Turner and L.M.Goldman. Measurements of Brillouin-backscatter dependence on density-scale lengths near critical density. Phys. Rev. Lett. 44 (6), p. 400,(1980).

36. M. Zepf, G.D.Tsakiris, G Pretzler et al. Role of the plasma scale length in the harmonic generation from solid targets. Phys Rev E, v. 58, v.5, p.R5253, (1998).

37. R.P.Drake. Three-wave parametric instabilities in long-scale-length, somewhat planar, laser-produced plasmas. Laser and Particle Beams, 10(4), 599, (1992).

38. SJackel, B.Perry, M.Lubin, Dynamics of laser-produced plasmas through time-resolved observations of the 2ш and Зш/2 harmonic light emissions, PRL, v.37, n.2, p.95, (1976).

39. Н.Г.Басов, М.В.Осипов, А.А.Рупасов, Г.В.Склизков, А.С.Шиканов. Диагностика лазерной плазмы в области критической плотности методом комбинационного рассеяния. Письма в ЖЭТФ, т.23, в.4, с.210, (1981).

40. V. Aboites, T.P.Hughes, E. McGoldrick, S.M.L.Sim, S.J.Karttunen, R.G.Evans. 3®J2 harmonic emission from thin foils. Phys. Fluids 28 (8), p. 2556, (1985).

41. P.D.Carter, S.M.L.Sim, H.C.Barr, R.G.Evans. Time-resolved observations of the three-halves harmonic spectrum from laser-produced plasmas. PRL, v.44, n.21, p. 1407, (1980).

42. W. Seka, B.B. Afeyan, R.Boni, et al. Diagnostic value of odd-integer half-harmonic emission from laser-produced plasmas. Phys. Fluids 28 (8), p. 2570, (1985).

43. Диагностика плотной плазмы, H. Г. Басов и др. М.:Наука, стр.77.(1989).

44. Диагностика плотной плазмы, Н. Г. Басов и др. М.:Наука, стр.88.(1989).

45. В. Б. Розанов, и др., Эффективность мишеней типа "открытый лазерный парник" при малом числе облучающих пучков, Препринт ФИАН 23, Москва, (2002).

46. Вергунова, и др., Физические процессы в мишени "Лазерный парник", Препринт ФИАН 58, Москва, (1999).

47. С.Ю. Гуськов, В. Б. Розанов, Взаимодействие лазерного излучения с пористой средой и образование неравновесной плазмы, Квантовая электроника, 24, №8, 715, (1997).

48. J. LINDL, Phys. Plasmas 2, 3933 (1995).

49. O.L. LANDEN, D.R. FARLEY, S.G. GLENDINNING et al., Rev. Sci. Instrum., 72, 627 (2001).

50. B. A. Remington et al. Phys. Plasmas, 4,1994, (1997).

51. O. WILLI, L. BARRINGER, C. VICKERS et al., The Astrophysical Journal Supplement Series, 127,527 (2000).

52. M. KOENIG, A. BENUZZI, B. FARAL et al., The Astrophysical Journal Supplement Series, 127,385 (2000).

53. В.А. Болотин, И.Н. Бурдонский, А.Ю. Гольцов и др. Мощная лазерная система на неодимовом фосфатном стекле для проведения комплексных модельных исследований по программе лазерного термоядерного синтеза. Препринт ИАЭ 4967/7, Москва, (1989).

54. S. Yu. Gus'kov, Theory of laser-stimulated homogenization of regularly volume-structured media and foams, preprint FIAN 49, Moscow (1998).

55. Okada, K. et al. Appl. Phys. Lett. 42, 831 (1983).

56. Emery, M.H. et al. Phys. Fluids В 3,2640 (1991).

57. С.Ю. Гуськов, H.B. Змитренко, В.Б. Розанов, ЖЭТФ, 108,548 (1995).

58. P. Элтон, Рентгеновские лазеры, Москва, Мир, (1994).

59. J. D. Moody et al., Experimental investigation of short scalelength density fluctuations in laser-produced plasmas, Physics of Plasmas, 7(5), 2114, (2000).

60. J.D. Moody, BJ.MacGowan, S.H.Glenzer, R.K.Kirkwood, W.L.Kruer, A.J.Schmitt, E.A.Williams, G.F.Stone. First measurement of short length-scale density fluctuations in a large laser plasma, Phys.Rev.Lett. 83(9), 1783, (1999).

61. H.Figueroa, C.Joshi, et al, Phys.Fluids, 30, 586, (1987)

62. V. V. Gavrilov, A. Yu. Goltsov et all, X-ray spectral measurements of high-temperature plasma parameters in porous targets irradiated with high-power laser pulses, Quantum Electronics 31(12), 1071-1074, (2001).

63. Н.Г. Борисенко, А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский и др, Изучение физических процессов в облучаемых мощными лазерными пучками пористых средах с различной микроструктурой, XXXIII Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС, 13-17 февраля 2006 г.

64. А.Э.Бугров, И.Н. Бурдонский и др, Диагностика быстропротекающих процессов в лазерной плазме в экспериментах по облучению малоплотных сред на установке "Мишень", Физика плазмы, т.ЗО, №2, с. 163-168, (2004).

65. А.Э.Бугров, И.Н. Бурдонский и др, Time-resolved studies of parametric instabilities in laser-produced plasmas of near-critical density, Proceedings of SPIE, v. 4424, p. 376-379, (2001).

66. А.Э.Бугров, И.Н. Бурдонский и др, Экспериментальное исследование физических процессов в пористых мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами, XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 16-20 февраля 2004 г.

67. M. N. Rosenbluth, R. Z. Sagdeev, Handbook of Plasma Physics, vol.3 Physics of Laser Plasma, A. Rubenchik, S. Witkovski, Elsevier Science Publishers B.V., (1991).

68. Диагностика плотной плазмы, под ред. Н.Г Басова М: Наука (1989).

69. В.Т.Тихончук, вынужденное рассеяние и филаментация лазерного излучения в плазме, Квантовая электроника, 18(2), 151, (1991).

70. Н.Е.Андреев, Л.М.Горбунов, и М.В.Чеготов Динамика вынужденного рассеяния Манделыытама-Бриллюэна при самофокусировке лазерного пучка. ЖЭТФ, 115(6), 1950, (1999).

71. В.Л. Арцимович, Л.М.Горбунов, Ю.С.Касьянов и др. Исследование процессов рассеяния в лазерной плазме. ЖЭТФ, т.80, в.5, с.1859, (1981).

72. C.Yamanaka, T.Yamanaka, J.Mizui, N.Yamaguchi, Self-phase modulation of laser light in a laser-produced plasma. Phys.Rev. A 11(6), 2138,(1975).

73. А. А. Мак, H. А. Соловьев, Введение в физику высокотемпературной плазмы,Издатльство ленинградского университета, стр 35-36, (1991).

74. J.Mizui, Н. Kang et al, J. of Phys. Soc. Japan, 41,1334, (1976).

75. K. Eidmann, R. Sigel, Max-Planck Inst. Plasmaphysik, BRD,Internal report IPPIV/46, (1972).

76. P. Lee, D. V. Giovanielly, R. P. Godwin, G. H. McCall. Appl. Phys. Lett, 24,406,(1974).

77. B. Greek, H. Pepin, F. Rheault, Phys.Rev. Lett, 38, 898, (1977).

78. T.Dewandre, J.R.Albriton, E.A.Williams. Doppler shift of laser light reflected from expanding plasmas. Phys Fluids, 24 (3), p.528, (1981).

79. R.E. Turner and L.M.Goldman. Measurements of Brillouin-backscatter dependence on density-scale lengths near critical density. Phys. Rev. Lett. 44 (6), p. 400,(1980).

80. M. N. Rosenbluth, R. Z. Sagdeev, Comments Plasma Phys. Controlled Fusion, 2,3, (1974).

81. W. L. Kruer, Phys. Fluids, 23,1273, (1980).

82. В.Т.Тихончук, Квантовая электроника, т.18, в.2, с.151, (1991).

83. V. P. Silin, V. Т. Tikhonchuk, Proc. Int. Conf. Plasma Physics, Lausanne, 2, 877,(1984).

84. О. Willi, P. Т. Rumsby, Z. Q. Lin, Filamentation Instability in Laser Produced Plasmas, Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, Plenum N.Y.,6, 633,(1984).71. 0. Willi, P. H. Y. Lee, Optics Comms, 55,120, (1985).

85. P.E. Young, H.A.Baldis, K.G. Estabrook. Scattered light near the laser wavelength from Nova two-color experiments. Phys. Fluids B3 (5), p. 1245, (1991).

86. C.J.Randall, JJ.Thomson, K.Estabrook, Enhancement of stimulated Brillouin scattering due to reflection of light from plasma critical surface, PRL, v.43, n.13, p.924, (1979).

87. C.J.Randall, J. A. Albritton, J.J.Thomson, Phys. Fluids 24,1474,1981.

88. D.R.Gray, J.Murdoch, S.M.Sim, A.J. Cole, R.G.Evans, W.T.Toner, Time-resolved spectroscopic studies of laser-produced plasmas. Plasma Physics, 22, 967,(1980).

89. C.A. Ахманов, P.B. Хохлов, Проблемы нелинейной оптики: Электромагнитные волны в нелинейных диспергирующих средах. Москва, ВИНИТИ, Итоги науки (1964).

90. Н. Бломберген, Нелинейная оптика, под. Ред. С.А. Ахманов, Р.В. Хохлов, Мир, Москва, (1966).

91. Н.С.Ерохин, В.Е. Захаров, С.С.Моисеев генерация второй гармоники при падении электромагнитной волны на неоднородную плазму. ЖЭТФ, т.56, в.1, с. 179, (1969).

92. Н. Г. Денисов, ЖЭТФ, 31, 609-620, (1956).

93. В.П. Силин. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму. М., Наука, с.288, (1973).

94. В. JI. Гинзбург, Распространение электромагнитных волн в плазме, М., Физматгиз, 681, (1961).

95. Н.Г.Басов, В. Ю, Быченков, О. Н. Крохин, М.В.Осипов, А.А.Рупасов, В. П. Силин, Г.В.Склизков, А. Н. Стародуб, В. Т. Тихончук,

96. A.С.Шиканов, Квантовая электроника, 6(9), 1829-1865, (1979).

97. Н.Г.Басов, В. Ю, Быченков, О. Н. Крохин, М.В.Осипов, А.А.Рупасов,

98. B. П. Силин, Г.В.Склизков, А. Н. Стародуб, В. Т. Тихончук, А.С.Шиканов, ЖЭТФ, 76(6) 2094-2109, (1979).

99. В. П. Силин, О сдвиге и уширении линий излучения при параметрической неустойчивости плазмы, Краткое сообщение по физике №10,1979, УДК 533.9.

100. K.Tanaka, W.Seka, L.M.Goldman, M.C.Richardson et al. Evidence of parametric instabilities in second harmonic spectra from 1054 nm laser-produced plasmas. Phys fluids 27 (8), 2187, (1984).

101. R.P.Drake, K.S.Bradley, S.H.Batha, H.A.Baldis, D.S.Montgomery, Kent Estabrook, W.L.Kruer, R.J.Procassini. Multiangle, time-resolved spectroscopy of laser-light scattering in underdense, inhomogeneous laser plasma. PRL, v.74, n. 16, p.3157, (1995).

102. V. Aboites, T.P.Hughes, E. McGoldrick, S.M.L.Sim, S.J.Karttunen, R.G.Evans. 3Юо/2 harmonic emission from thin foils. Phys. Fluids 28 (8), p. 2556,(1985).

103. P.E. Young. Correlation between backscattered Зш/2 emission and stimulated Brillouin scattered light in laser-produced plasmas. Phys. Fluids B5 (7), p. 2265,(1993).

104. Yu.V.Afanasev, N.N.Demchenko, O.N.Krokhin, V.B.Rozanov, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 72, pp. 170-179, (1977).

105. Yu.V.Afanasev, E.G.Gamalii, N.N.Demchenko, O.N.Krokhin, V.B.Rozanov, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 79, p. 837, (1980).

106. C.H. Коптяев, Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. Троицк, Московская обл. (ТРИНИТИ), (2004).

107. М. N. Rosenbluth, R. Z. Sagdeev, Handbook of Plasma Physics, vol.3 Physics of Laser Plasma, A. Rubenchik, S. Witkovski, Elsevier Science Publishers B.V., p. 384, (1991).

108. ВИНИТИ, Итоги науки и техники, Ю. В. Афанасьев, Н. Г. Басов и др., серия Радиотехника, том 17 стр. 172, Москва (1978).