Генерация магнитных полей и низкочастотного терагерцового излучения в плазме

Одно из направлений научной деятельности нашей лаборатории связано с исследованием вопросов генерации квазистатических и низкочастотных (по сравнению с лазерной частотой) электромагнитных полей при лазерно-плазменных взаимодействиях. Ведущий данного направления исследований - доктор физ.-мат. наук А.А. Фролов.

Одним из фундаментальных нелинейных физических эффектов, возникающих как в плазме, так и в других материальных средах, является генерация квазистатических электрических и магнитных полей, а также низкочастотных (НЧ) электромагнитных волн высокочастотным (ВЧ) электромагнитным излучением. Это явление, получившее в нелинейной оптике название оптического выпрямления, связано с возбуждением в среде с квадратичной нелинейностью электромагнитных полей не только на второй гармонике высокочастотного излучения, но также и на нулевой частоте, а для двух высокочастотных волн на разностной частоте. Именно этим механизмом объясняется появление в нелинейной среде медленно меняющихся со временем (за период ВЧ колебаний) электромагнитных полей. Причем под действием высокочастотного излучения происходит возбуждение как квазистатических, так и низкочастотных электромагнитных полей. Квазистатические электрические и магнитные поля изменяются во времени на масштабах сравнимых с длительностью импульса высокочастотного поля, и не имеют какой-либо выделенной периодической зависимости от времени. В отличие от этого низкочастотные электромагнитные поля имеют характерные частоты значительно ниже частоты электромагнитного излучения и существуют в виде собственных НЧ колебаний и волн в среде. При определенных условиях эти НЧ колебания могут образовать волновые поля в дальней зоне и выходить из вещества в виде низкочастотного электромагнитного излучения.

В разреженной и достаточно горячей плазме явление генерации квазистатических и низкочастотных электромагнитных полей связано в основном с действием на электроны со стороны электромагнитного излучения так называемых усредненных пондеромоторных сил. Наиболее часто эти эффекты наблюдаются при воздействии на плазму высокочастотного лазерного излучения. По мере повышения мощности лазеров помимо только академического интереса эти нелинейные эффекты приобретают принципиальную важность для многих прикладных исследований.

В середине 60-х годов прошлого столетия явление генерации квазистатических магнитных полей (тогда их называли спонтанными магнитными полями) было экспериментально обнаружено в искре, возникающей при фокусировке излучения лазера, и несколько позже при воздействии лазерного излучения на вещество. В дальнейшем было проведено много экспериментов, в которых была зарегистрирована мегагауссовая (1 МГс=10⁶ Гс) величина напряженности магнитного поля. В последнее время появились сообщения о регистрации мультимегагауссовых и даже гигагауссовых (1 ГГс=10⁹ Гс) магнитных полей в лазерной плазме. Вместе с этим имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что при воздействии интенсивного лазерного излучения в плазме наряду с магнитными полями появляются сильные статические электрические поля, напряженность поля которых может превышать величину 10¹⁰ В/см. Интерес к столь сильным квазистатическим электрическим и магнитным полям связан, главным образом, с исследованиями, проводимыми по программе УЛТС, где под действием лазерного излучения происходит обжатие и нагрев мишени с ядерным топливом. Эти поля могут оказывать существенное влияние на поглощение лазерного излучения и протекание процессов переноса (теплопроводность, электропроводность, генерация быстрых частиц и др.), что определяет динамику сжатия мишени и нагрев ядерного топлива. Поэтому учет квазистатических электрических и магнитных полей, возникающих в плазме под действием интенсивного лазерного излучения, очень важен для успешной реализации программы УЛТС.

В последние годы достигнут значительный прогресс в генерации фемтосекундных (1 фс=10^-15с) лазерных импульсов тераваттной (1 ТВт=10¹² Вт) и петаваттной (1 ПВт=10¹⁵ Вт) мощности. Такие ультракороткие сверхмощные лазерные импульсы используются в новых компактных ускорителях заряженных частиц (электронов и ионов), для быстрого поджига ядерной реакции в исследованиях по программе УЛТС, для создания рентгеновских лазеров и источников терагерцевого излучения. В последнее время заметно повысился интерес к вопросам генерации субмиллиметрового излучения терагерцового диапазона (1 ТГц=10¹² Гц). В спектре электромагнитных волн терагерцовое (ТГц) излучение занимает область между микроволновым и инфракрасным излучением и ему соответствуют частоты (0.3 ÷ 30) ТГц или длины волн 1 мм ÷ 10 мкм. Интерес к терагерцовому излучению обусловлен прозрачностью многих распространенных материалов (дерево, органика, живая материя и др.) в этой области спектра. Важной особенностью терагерцового излучения является то, что энергия его квантов сравнима с энергией колебательного движения многих биологических молекул (белки, ДНК и др.) и резонансные частоты этих молекул лежат в ТГц диапазоне. Кроме этого используя фокусирующие свойства терагерцовых волн можно получать контрастное изображение мельчайших объектов. Перечисленные свойства позволяют применять терагерцовое излучение во многих важных областях науки и техники. Используя ТГц излучение можно проводить безвредную диагностику человеческого организма. Возможно использование этого излучения в системах безопасности для обнаружения взрывчатки и наркотиков, досмотра в аэропортах и досмотра почтовых отправлений, для контроля качества пищевых продуктов. В биологии терагерцовое излучение может применяться для исследования процессов, происходящих в живых клетках, а в астрофизике для изучения темных облаков. По спектру поглощенного или проходящего терагерцового излучения можно определять элементный состав исследуемого вещества.

Существующие в настоящее время источники терагерцового излучения имеют либо очень малую мощность (квантово-каскадные лазеры, источники на основе полупроводниковых материалов) либо очень громоздкие размеры (лазеры на свободных электронах, накопительные кольца ускорителей). Перспективным методом генерации мощного терагерцового излучения является использование ультракоротких лазерных импульсов фемтосекундной длительности, которые при распространении в разреженной плазме с плотностью электронов (10¹⁵ ÷10¹⁹) см^-3 излучают низкочастотные электромагнитные волны ТГц диапазона. Источники генерации терагерцового излучения, основанные на этом механизме, могут иметь высокую мощность, компактные размеры и быть плавно перестраиваемы по частоте.