О моделировании самофокусировки светового пучка в плазме при облучении мишеней мощным ультрафиолетовым лазером

Методами математического моделирования изучаются особенности распространения светового пучка в плазме при облучении мишеней мощным ультрафиолетовым лазерным импульсом. В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН в экспериментах на установке «ГАРПУН» (мощный KrF-лазер, который облучал двухслойные мишени, состоящие из алюминиевой фольги и слоя оргстекла) у дна кратера обнаружены каналы, вытянутые вдоль направления падения лазерного пучка. На основании анализа экспериментальных и расчетных данных было показано, что в плазме возможно развитие самофокусировки лазерного пучка. Это приводит к возникновению горячих пятен в окрестности критической плотности плазмы и генерации быстрых электронов. Поток этих электронов формирует каналы в оргстекле. Для описания эффекта самофокусировки развита физико-математическая модель и в РТУ МИРЭА создана программа «FOCUS». Проведены расчеты на заданных газодинамических профилях (линейный и экспоненциальный), и показано, что в условиях экспериментов на установке «ГАРПУН» (протяженная плазма ~ 1 мм, умеренная интенсивность излучения 10¹¹ –10 ¹²(Вт/см²) × мкм²)   может развиваться тепловая самофокусировка. Сделаны оценки параметров наиболее опасных возмущений интенсивности греющего лазера. Интерес к результатам этих экспериментов и их математическому моделированию связан с исследованиями по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). Несмотря на то, что в таких исследованиях в основном используются твердотельные лазеры на неодимовом стекле, газовые ультрафиолетовые эксимерные лазеры имеют определенные преимущества в качестве драйверов для будущих термоядерных реакторов. Взаимодействие лазерного излучения с плазмой в случае ультрафиолетового лазера имеет свои особенности по сравнению с физикой взаимодействия излучения лазеров на неодимовом стекле. Поэтому разработка физико-математических моделей и создание новых программ, необходимых для интерпретации современных экспериментов с помощью мощных эксимерных лазеров и планирования крупномасштабных установок, является актуальной задачей.

1. Басов Н.Г., Крохин О.Н. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора. ЖЭТФ. 1964;46(1):171–175.

2. Moses E.I. and the NIC Collaborators. The National Ignition Compaign: status and progress. IOP Publishing and International Atomic Energy Agency. Nuclear Fusion. 2013;53(10):104020. https://doi.org/10.1088/0029-5515/53/10/104020

3. Гаранин С.Г., Бельков С.А., Бондаренко С.В. Концепция построения лазерной установки УФЛ-2М. В сб. докл. XXXIX Международной (Звенигородской) конфе-ренции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2012. C. 17.

4. Ebrardt J. and Chapt J.M. LMJ on its way to fusion.J. Phys.: Conf. Ser.2010;244(3):032017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/244/3/032017

5. Zhen W., Wei X., Zhu Q., Jing F. et al. Laser performance of the SG-III laser facility. High power laser. Sci Eng.2016;4:e21. https://doi.org/10.1017/hpl.2016.20

6. Smalyuk V.A., Robey H., Döppner T., Casey D.N. et al. Experimental results of radiation-driven, layered deuteriumtritium implosions with adiabat-shaped drives at the National Ignition Facility. Phys. Plasmas.2016;23(10):101063. https://doi.org/10.1063/1.4964919

7. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. М.: Знание; 1988. 172 c.

8. Кузенов В.В., Лебо А.И., Лебо И.Г., Рыжков С.В. Физико-математические модели расчета воздействия мощных лазерных и плазменных потоков. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2015. 326 c. ISBN 978-5-7038-4183-9

9. Bodner S.E. The path to electrical energy using laser fusion. High Power Laser Sci. Eng.2019;7:e63. https://doi.org/10.1017/hpl.2019.51

10. Zvorykin V., Lebo I., Shutov A., Ustinovskii N. Selffocusing of UV radiation in 1 mm scale plasma in a deep ablative crater produced by 100 ns, 1 GW KrF laser pulse in the context of the ICF. Matter Radiat. Extremes.2020;5(3):03540. https://doi.org/10.1063/1.5142361

11. Аскарьян Г.А. Влияние градиента мощного электромагнитного пучка на электроны и атомы. ЖЭТФ. 1962;42(6):1567–1570.

12. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде. УФН. 1967;93(1):19–70. https://doi.org/10.3367/UFNr.0093.196709c.0019

13. Sodha M.S., Tripathi V.K. Nonlinear penetration of an inhomogeneous laser beam in an overdense plasma. Phys. Rev. A.1977;16(5):2101–2104. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.16.2101

14. Zvorykin V.D., Lebo I.G. Laser and Target Experiments on KrF GARPUN laser installation at FIAN. Laser Part. Beams.1999;17(1):69–88. https://doi.org/10.1017/S0263034699171064

15. Craxton R.S., Anderson K.S., Boehly T.R. et al. Direct-drive inertial confinement fusion: A review. Phys. Plasmas.2015;22(11):110501. https://doi.org/10.1063/1.4934714

16. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 683 c. 17. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 719 с.

17. Max C.G. Strong self-focusing due to the ponderomotive force in plasmas. Phys. Fluids.1976;19:74–77. https://doi.org/10.1063/1.861305

18. Perkins F.W., Valeo E.J. Thermal Self-Focusing of Electromagnetic Waves in Plasmas. Phys. Rev. Letters. 1974;32(22):1234–1237. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.32.1234

19. Лебо И.Г., Симаков А.И. Моделирование развития вихревых структур в сверхзвуковом газовом потоке. Российский технологический журнал.2018;6(5):45–54. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-5-45-54