|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Управляемое динамическое микроструктурирование мишени и оптимизация рентгеновского свечения плазмы при воздействии мощного фемтосекундного лазерного излучения на поверхность расплавленного металлаНИР
Controlled dynamical microstructuring of the target and optimization of the plasma radiance under the action of a high-power femtosecond laser radiation onto the melted metal surface
- Руководитель НИР: Ларькин А.С.
- Участники НИР: Гожев Д.А., Дегтярев С.А., Дубатков М.А.
- Подразделение: Международный учебно-научный лазерный центр
- Срок исполнения: 10 февраля 2016 г. - 31 декабря 2017 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-32-00143\16
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116021010037-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Получение сверхсильных световых полей и их применение
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.47 Воздействие лазерного излучения на вещество
-
Ключевые слова:
управляемое фокальное распределение плотности энергии, фемтосекундная лазерная плазма, жидкая мишень, микроструктурированная поверхность, искуственный лазерный предымпульс
femtosecond laser plasma, microstructured surface, controlled focal laser energy distribution, liquid target, manualy created laser prepulse -
Описание:
Лазерная плазма, формируемая на поверхности плотной мишени импульсом фемтосекундной длительности, является уникальным источником мощного сверхкороткого рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий (от 1 кэВ до нескольких МэВ). Подобные источники рентгеновского излучения могут иметь широкое применение в рентгеновской спектроскопии с высоким временным разрешением, в дифракционном анализе, ядерной спектроскопии, в медицинских и биологических исследованиях. Увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения лазерной плазмы возможно как при увеличении интенсивности лазерного импульса, так и за счет использования мишеней с микро-модифицированными поверхностями. С этой точки зрения использование жидких мишеней является перспективным благодаря возможности динамического микроструктурирования их поверхности с помощью лазерного предымпульса. Предлагаемый научный проект направлен на изучение механизма формирования микроструй над поверхностью мишени из расплава металла под действием искусственного лазерного предымпульса с целью управления их параметрами. Предлагаемые экспериментальные исследования позволят установить связь между конфигурацией (количеством, размером, направлением разлета) микроструй, формирующихся над поверхностью жидкой мишени, и параметрами (количеством, плотностью энергии, размером и расстоянием между горячими пятнами) фокального распределения энергии лазерного импульса. Планируемые эксперименты по рентгеновской диагностике плазмы, образующейся при взаимодействии лазерного импульса релятивистской (10^19 Вт/см2) интенсивности с искусственно создаваемыми лазерным предымпульсом микроструями, позволят определить оптимальные параметры микроструй для создания максимально эффективного лазерно-плазменного рентгеновского источника на основе жидкой мишени из расплавленного металла.
-
Abstract:
Laser plasma which is formed by a femtosecond laser pulse onto the dense target surface is known to be a unique source of ultrashort x-rays and gamma-radiation in a wide energy range (from 1 keV to several MeV). Such x-ray sources can be widely used in the x-ray spectroscopy with high temporal resolution, diffraction analysis, nuclear spectroscopy, medical and biological researches. To increase yield of x-ray radiation from laser plasma one can both increase an intensity of the laser pulse, or use targets with microstructured surfaces. From this point of view, the use of of the liquid target is promising due to ability of a dynamical microstructuring of its surface by means of a laser prepulse. This project is directed to the investigation of the mechanism which leads to the microjets formation above the surface of the melted metal target after the action of a manually created laser prepulse. Herewith, the main goal is to control parameters of the microjets. The experimental studies are proposed can allow us to establish a relationship between the microjets configuration (number of jets, their size, direction of propagation) and the laser energy density distribution within the focal spot (number of different hot spots, fluence, size and distance between hot spots). The experiments on the x-ray diagnostics of the laser plasma, which forms as a result of interaction of the relativistic intense (10^19 W/cm^2) laser pulse with microjets (created by an artificial prepulse), are planned will allow us to determine the optimal parameters of the microjets for creating the most efficient laser-plasma x-ray source on the basis of a melted metal target.
-
Планируемые результаты:
1. Будет зарегистрировано (с использованием микрообъектива и ПЗС-камеры) и охарактеризовано заданное распределение плотности энергии в пятне фокусировки фемтосекундного лазерного импульса, получаемое с помощью различных специально спроектированных и созданных бинарно-фазовых дифракционных оптических элементов (ДОЭ) на пропускание, согласованных с модами Гаусса-Эрмита высокого порядка. 2. Будут получены теневые фотографии (методом pump-probe) динамики разлета микроструй, формируемых над поверхностью галлиевой мишени фемтосекундным лазерным импульсом с заданным фокальным распределением плотности энергии, создаваемым ДОЭ, согласованными с различными модами Гаусса-Эрмита. Одновременно с этим будет зарегистрировано фокальное распределения плотности энергии импульса, формирующего плазму, в каждом лазерном выстреле. Подобные эксперименты будут проведены впервые. 3. На основании полученных экспериментальных данных будет выявлена связь конфигурации (т.е. количества, размера, направления) микроструй, формирующихся над поверхностью жидкой мишени, с параметрами (количеством, плотностью энергии, размером и расстоянием между горячими пятнами) фокального распределения энергии лазерного импульса. Это позволит уточнить механизм генерации микроструй и сформулировать требования к создаваемому распределению плотности энергии для управления параметрами микроструй. 4. Будут измерены спектры жесткого рентгеновского излучения и оценена средняя температура горячей электронной компоненты плазмы, образующейся при взаимодействии лазерного импульса релятивистской (10^19 Вт/см^2) интенсивности с микроструями, которые будут формироваться искусственно созданным лазерным предымпульсом с различными временем опережения, полной энергией и фокальным распределением энергии. 5. На основании результатов экспериментов по рентгеновской диагностике плазмы в совокупности с результатами численного моделирования взаимодействия релятивистски интенсивного фемтосекундного лазерного импульса с микроструями будут уточнены механизмы, приводящие к эффективному ускорению электронов на микроструях в релятивистском режиме. Будут подобраны оптимальные конфигурации создаваемых лазерным предымпульсом микроструй для создания максимально эффективного лазерно-плазменного рентгеновского источника на основе жидкой галлиевой мишени.
-
Научный задел:
В нашей лаборатории (в МГУ) была впервые продемонстрирована и охарактеризована мишень из расплавленного галлия. Была показана возможность длительной непрерывной работы с такой мишенью, что является важным для создания компактного высокостабильного лазерно-плазменного источника рентгеновского излучения и частиц. Жидкая мишень из расплавленного металла обладает уникальными свойствами. Поверхность такой мишени успевает восстанавливаться от выстрела к выстрелу, поэтому жидкую мишень, не нужно сдвигать в ходе работы, что упрощает конструкцию мишенного узла. Было обнаружено [1,2,3], что при воздействии лазерного импульса умеренной интенсивности (~ 10^16 Вт/см^2) с низким наносекундным контрастом (предымпульс опережал основной импульс на 12.5 нс) на поверхность расплава галлия, может происходить увеличение выхода жесткого рентгеновского излучения почти на 2 порядка. Численное моделирование методом PIC-код [3] показало, что при взаимодействии основного лазерного импульса с микроструями, движение электронов, определяемое совместным действием лазерного поля и квазистатического поля на струях, носит стохастический характер, что приводит к эффективному набору электронами энергии. В спектре электронов при наличии струй появляется более энергетичный компонент. На основании результатов экспериментов по теневому фотографированию преплазмы и результатов численного моделирования сформулировано предположение о механизме формирования микроструй над поверхностью жидкой мишени [4]. Согласно этому предположению выброс струи с поверхности жидкой мишени происходит в результате пересечения фронтов ударных волн, распространяющихся под поверхностью мишени от различных горячих пятен в распределении плотности энергии в пятне фокусировки. 1. K.A. Ivanov. Plasma Physics Reports 36, 99 (2010). 2. D.S. Uryupina. Physics of Plasmas 19, 013104 (2012). 3. D.S. Uryupina. SPIE Proc, 8779, 877917 (2013). 4. A. Lar'kin. Physics of Plasmas, 21, 093103 (2014).
- Добавил в систему: Ларькин Алексей Станиславович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 10 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Управляемое динамическое микроструктурирование мишени и оптимизация рентгеновского свечения плазмы при воздействии мощного фемтосекундного лазерного излучения на поверхность расплавленного металла |
| Результаты этапа: Были проведены эксперименты, продемонстрировавшие возможность формирования мод Эрмита-Гаусса до третьего порядка включительно с использованием бинарно-фазовых дифракционных оптических элементов (ДОЭ), освещаемых импульсным излучением фемтосекундной длительности. При этом было обнаружено, что качество формируемых мод сильно зависит от степени соответствия диаметра лазерного пучка диаметру освещаемого им ДОЭ. Стоит отметить, что использование ДОЭ, обладающих бинарно-фазовым пропусканием, с фемтосекундным лазерным излучением имеет особенности. Во-первых, микрорельеф дифракционного элемента является оптимальным для монохроматического излучения, поэтому широкий спектр фемтосекундного импульса может приводить к искажениям формируемого распределения интенсивности. Вторая особенность связана с тем, что дифракционные элементы работают на пропускание, и их установка в пучок фемтосекундного излучения нежелательна из-за эффектов самовоздействия. Использование формирователей мод Эрмита-Гаусса высокого порядка позволяет преодолеть указанные трудности. Такие элементы довольно устойчивы к отклонению длины волны. А моды Эрмита-Гаусса сохраняют свою конфигурацию при распространении и не искажаются линзовыми системами. Это позволяет устанавливать дифракционный элемент перед компрессором фемтосекундной лазерной системы. С использованием ДОЭ, формирующего моду Эрмита-Гаусса TEM(3,0), были проведены первые эксперименты по теневому фотографированию микроструй, формирующихся под действием лазерного импульса с заданным распределением плотности энергии в пятне фокусировки. Стоит отметить, что по сравнению с предыдущими экспериментами пространственное разрешение изображения микроструй удалось уменьшить до 1 мкм с использованием микрообъектива и специальной конструкции мишени. Полученные результаты подтверждают определяющую роль распределения плотности энергии в пятне фокусировки лазерного излучения в процессе формирования микроструй над поверхностью жидкой мишени. Таким образом, действительно, с использованием ДОЭ для формирования заданного регулярного распределения интенсивности лазерного предымпульса становится возможным управление формированием микроструй над поверхностью мишени. | ||
| 2 | 10 февраля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Управляемое динамическое микроструктурирование мишени и оптимизация рентгеновского свечения плазмы при воздействии мощного фемтосекундного лазерного излучения на поверхность расплавленного металла |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".