Новая лазерная техника снимает эволюцию плазмы со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду

Схема диагностической системы SAPPHIRE. Верхняя половина чирп-лазерного луча проходит через плазму, а нижняя — нет. Разделение и последующее объединение луча создает интерференционные картины (справа), показывающие, как плазма изменяется во времени. Автор: Optica (2025). DOI: 10.1364/optica.566848

Плазма, ионизированный газ и четвертое состояние вещества, составляет более 99% обычной материи во Вселенной. Понимание её свойств критически важно для разработки источников термоядерной энергии, моделирования астрофизических объектов, таких как звезды, и совершенствования производственных технологий полупроводников для современных смартфонов.

Однако наблюдение и определение того, что происходит внутри высокоплотной плазмы, является сложной задачей. События могут разворачиваться за триллионные доли секунды и вести себя сложными, непредсказуемыми способами.

В исследовании, опубликованном в журнале Optica, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработали новый диагностический метод, который захватывает эволюцию плазмы во времени и пространстве с помощью одного лазерного импульса. Этот прорыв позволяет создавать «фильмы» о плазме со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду, освещая сверхбыструю динамику, которую ранее было невозможно наблюдать.

«В большинстве современных экспериментов с высокоэнергетическими лазерами высокой интенсивности мы делаем одно изображение на один лазерный выстрел, — сказала учёный LLNL и ведущий автор Лиз Грейс. — Однако эти плазмы нестабильны и непредсказуемы, и небольшие изменения могут иметь эффект бабочки, влияющий на последующую эволюцию. Важно захватить как можно больше информации за один раз».

Каждый лазерный импульс, проходящий через плазму, немного отличается, поэтому объединение этой информации из разных дискретных выстрелов может быть большим источником ошибок. В отличие от этого, новый диагностический метод, называемый Single-shot Advanced Plasma Probe Holographic Reconstruction (SAPPHIRE), захватывает всё за один раз.

Для достижения этого команда использует специальный лазерный импульс с так называемым «чирпом». Это означает, что лазерный импульс и содержащиеся в нём цвета растянуты во времени. Например, в отрицательном чирпе, использованном в этой работе, более синий свет с более короткими длинами волн проходит первым, а затем следует более красный свет с более длинными волнами.

Верхняя половина лазерного луча проходит через плазму, где он преломляется и искажается, в то время как нижняя половина — нет. На другом конце плазмы диагностическая система SAPPHIRE разделяет эти две половины луча, а затем снова объединяет их, чтобы создать уникальную интерференционную картину для каждой длины волны света — и, следовательно, для каждой временной метки.

С помощью некоторых математических вычислений эту интерференционную картину можно преобразовать в карту электронной плотности в плазме, предоставляя исследователям исключительно детализированный «фильм» о том, как плазма изменяется во времени.

Авторы испытали SAPPHIRE на струях гелий-азотного газа, но Грейс отметила, что диагностика может быть применена для измерения зависящих от времени профилей недоразреженной (прозрачной для лазера) плазмы, создаваемой в импульсных источниках питания, волноводах, плазменной оптике, лазерных ускорителях частиц и многом другом.

«Я лично хотела бы увидеть применение этой диагностики в средах для термоядерной энергии, включая Z-пинч-плазму, — сказала она. — В статье мы предоставили очень подробное руководство по сборке собственной системы, и я с нетерпением жду, что придумают люди».

Больше информации: Elizabeth S. Grace et al, Single-shot spatiotemporal plasma density measurements with a chirped probe pulse, Optica (2025). DOI: 10.1364/optica.566848

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory