Другой областью применения лазеров в научных исследованиях является исследование процессов пробоя газовых сред с помощью мо-лекулярных газовых лазеров на СО2. Использовался TEA-лазер, генери-ровавший импульсы длительностью 200 нс с энергией 100 мДж. Схема установки приведена на рис. 4.37.
Пробой получали в атмосфере при нормальном давлении в фокусе линзы из NaCl, находящейся внутри конфокального резонатора, образо-ванного зеркалами из золота и хлористого натрия. Пробой воздуха в фо-
кусе снижал добротность резонатора и автоматически срывал генерацию. Применение газового лазера для исследования пробоя оказывается очень удобным вследствие неограниченного числа повторений импульсов.
Более часто для излучения пробоя газов используются твердотель-ные лазеры или лазеры на красителях. Удобство их применения в этих целях определяется прежде всего тем, что они дают возможность иссле-довать механизм пробоя газов в широком диапазоне спектра с помощью одного лазера с перестройкой частоты генерации. Одна из возможных схем приведена на рис. 4.37.
Пробой газов изучается в камере 11, куда фокусируется излучение импульсного лазера на красителе родамин 6G, образованного зеркалом
с частичным пропусканием 8, кюветой с красителем 7 и дифракцион-ной решеткой 6. Дифракционная решетка выполняет роль диспергиру-ющего элемента, сужающего полосу излучения лазера и осуществля-ющего перестройку длины волны излучения в пределах 700–850 нм за счет изменения наклона относительно оптической оси. Накачка ла-зера на красителе производилась рубиновым лазером, работающим в режиме модуляции добротности, осуществляемой ячейкой Поккельса. Спектрограф 9 позволяет контролировать значение длины волны гене-рируемого излучения, а фотодиод 10 определяет мощность в каждом импульсе, достигающую значения 20 МВт при длительности импульса около 25·10‒9с. В результате пробоя газа создавалась и исследовалась плазма с концентрацией электронов порядка 1020 см‒3.
| 10 | |||
| 8 | |||
| 3 | 7 | ||
| 1 | 11 | ||
| 4 |
| 2 | 9 | |
5
Рис. 4.37. Схема установки для исследования пороговых характеристик
пробоя газов:
1 –поляризатор; 2 –ячейка Поккельса; 3 –рубиновый лазер; 4 –фотоприемник;
5 –индикаторное устройство; 6 –дифракционная решетка; 7 –лазер на красителе;
8 –селективное зеркало; 9 –спектрограф; 10 –фотодиод; 11 –исследовательская камера
Одним из наиболее перспективных направлений использования ла-зеров является создание высокотемпературной плазмы в твердых ми-шенях и инициирование управляемой термоядерной реакции. В этом случае необходимо генерировать лазерные импульсы, способные соз-дать плотность мощности на мишени порядка более 1016 Вт/см2. При этом напряженность электрического поля световой волны становится соизмеримой с внутриатомными полями. Температура в области вза-имодействия достигает несколько десятков миллионов градусов Кель-вина, что достаточно для возникновения термоядерной реакции. На возможность лазерного инициирования термоядерной реакции было указано еще в начале 1960-х гг. Тогда же была достигнута температура плазмы около миллиона градусов при пробое газовой среды. В конце 1960-х гг. удалось добиться ионизации твердой мишени из дейтерида лития LiD и генерации нейтронов с помощью лазерного излучения. В процессе бомбардировки твердых мишеней мощный лазерный импульс выполняет одновременно две задачи.
Во-первых, твердая мишень в виде шарика, заполненного дейтери-
ем, подвергается воздействию со Ш всех сторон, как это видно из рис.
4.38, и сжимается под действием светового давления.
Во-вторых, мощное электри-ческое поле световой волны иони-зирует вещество и создает плазму
с температурой в миллионы гра-дусов.
Для реализации схемы термо-ядерного реактора, управляемого лазерным излучением, необходи-мо использовать лазер с энергией в импульсе порядка 105 –106 Дж с расходимостью пучка, близкой к дифракционной. Импульсы такой энергии не могут быть получены от одноканального лазера, ввиду разрушения активного элемента при таких плотностях потока. По-
КВ ВО
МУ
ВО ВО
Ш
Рис. 4.38. Схема сферически симметричного облучения термоядерной мишени:
Ш – поворотные зеркала; ВО – входные окна; МУ – мишень; KB – камера взаимодействия
этому в исследованиях термоядерного синтеза применяются много-канальные усилительные схемы, такие например, как представленная на рис. 4.39.
Каждый канал этой установки генерирует импульс на выходе, близкий по мощности к порогу разрушения выходного элемента. Такая схема позволяет создать установки, генерирующие импульсы общей энергией, превышающей мегаджоули и длительностью импульсов око-ло 1 нс. Импульсы такой мощности позволяют проводить исследования явлений вынужденного рассеяния света на плазменных колебаниях, па-раметрическое взаимодействие плазменных волн и другие нелинейные эффекты в плазме в присутствии сильных световых полей. На установ-ке может быть получено импульсное давление до 1017 Па, которое воз-можно лишь в центре звезд.
В настоящее время проводятся интенсивные исследования фи-зических процессов в области проблем термоядерного синтеза с ис-пользованием базовой установки «Мишень», которая включает в себя двухлучевой лазер на неодимовом стекле, камеру взаимодействия и диагностический комплекс. Энергия лазерного излучения составляет 100 Дж в основном пучке диаметром 10 см на длине волны 1,054 мкм и длительностью 2,5 нс и 15 Дж в диагностическом пучке с длиной волны излучения 0,53 мкм и длительностью импульса 0,3 нс.
В других областях применения различных типов лазеров и лазер-ных установок следует учитывать следующие моменты. При использо-вании в научных исследованиях полупроводниковых лазеров надо учи-
Рис. 4.39. Схема лазерной установки для изучения управляемой термоядерной реакции
тывать возможности лазеров с электронно-лучевой накачкой, генери-рующих практически на любой частоте видимого диапазона импульсы большой мощности. В этих лазерах электронный пучок может скани-ровать на поверхности полупроводника, вызывая генерацию излучения заданной конфигурации. При соответствующей модуляции и растровой развертке луча накачки можно воспроизводить изображения на экране площадью до 100 м2. При этом такое проекционное или телевизионное устройство обладает в десятки раз большей светоотдачей, чем приме-няемые до настоящего времени. Так, телевизор на полупроводниковых лазерах, кроме более яркой световой гаммы, будет потреблять энер-гию не более 1 кВт для создания мощности свечения на экране 1 Вт,
в то время как современные телевизоры для этого должны потреблять 10 кВт. Такие возможности очень эффективны в рекламной отрасли и при использовании демонстрационных табло в спортивных ком-плексах или при массовых мероприятиях. Перспективно использо-вание полупроводниковых лазеров в вычислительной технике, где их быстродействие (10‒10 с) позволяет создать вычислительные машины нового поколения.
Перечисленные в данной главе примеры не являются исчерпыва-ющими, охватывающими все области применения лазеров в научных исследованиях, а отражают лишь те области, где лазерная техника по-зволяет решать задачи, неразрешимые другими способами.