Исследование LLNL (США) раскрывает новый механизм влияния поляризации лазера в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу на NIF

Исследователи Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) недавно обнаружили в ходе исследований, связанных с Национальной установкой зажигания (NIF), что состояние поляризации лазера может влиять на процесс переноса энергии между пересекающимися пучками (CBET) в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу, а также способствовать снижению риска обратного рассеяния и повреждения оптических элементов. Соответствующая статья под названием «Влияние эффекта поляризации лазера на перенос энергии между пересекающимися пучками в инерциальном термоядерном синтезе» недавно была опубликована в качестве тематической статьи в журнале «Физика плазмы».

Эксперименты на NIF предъявляют чрезвычайно высокие требования к точности управления лазером. 192 лазерных пучка установки должны быть сфокусированы до ширины в несколько миллиметров и проходить через отверстия диаметром около 3 мм, расположенные в верхней или нижней части золотой полости-хольраум, в зону мишени. Диаметр хольраума составляет около 2 см. После входа лазера в плазму различные пучки пересекаются друг с другом, и между ними происходит передача энергии — этот процесс называется переносом энергии между пересекающимися пучками. При проектировании экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу на NIF учёные тщательно регулируют длину волны лазера, чтобы с помощью CBET сбалансировать распределение энергии и улучшить симметрию имплозии.

Вопрос, который интересовал исследовательскую группу: что произойдёт с результатами эксперимента, если изменить не только длину волны лазера, но и состояние его поляризации. Первый автор статьи, физик LLNL Пьер Мишель, отметил, что изменение состояния поляризации может повысить устойчивость оптических компонентов к филаментационным повреждениям, однако также необходимо оценить влияние этого изменения на другие аспекты эксперимента. При анализе эффекта CBET исследователи обнаружили, что циркулярно поляризованный свет может приводить к меньшему обратному рассеянию, что снижает риск повреждения оптических элементов.

В хольрауме NIF лазерные пучки, входящие под одинаковым углом, образуют коническую область, в которой происходит перенос энергии между коническими пучками. Если разница в энергии между различными пучками внутри одного конуса слишком велика, это может спровоцировать неустойчивость обратного рассеяния, что, в свою очередь, усилит повреждение оптической системы NIF.

На рисунке показано распределение 96 пучков нижней полусферы в камере мишени NIF, цветовая кодировка представляет множитель мощности CBET. На левом изображении показано влияние циркулярно поляризованного света, где изменения внутреннего конуса незначительны; на правом изображении показано влияние линейно поляризованного света

Мишель и его команда сравнили различия между линейно и циркулярно поляризованным светом с помощью моделирования CBET. Результаты показали, что циркулярно поляризованный свет способен уменьшить разницу в энергии между пучками внутри одного конуса, тем самым улучшая характеристики CBET. Модельные изображения также показали, что по сравнению с линейно поляризованным светом, при циркулярной поляризации изменения внутреннего светового конуса менее значительны.

Однако применение циркулярно поляризованного света на NIF — задача непростая. Для её реализации требуются специальные волновые пластины, которые переориентируют компоненты электромагнитного поля проходящего света. Главный инженер лазерной системы NIF и сопредседатель объединённой программы лазерной науки и системной инженерии Жан-Мишель Ди Никола отметил, что в настоящее время не существует известного прямого метода изготовления четвертьволновых пластин, удовлетворяющих требованиям к апертуре и характеристикам NIF; команда изучает потенциальные производственные решения, включая использование запатентованной технологии метаповерхностей.

На следующем этапе исследовательская группа планирует провести специализированные эксперименты на объектах меньшего масштаба, например, на лазерной установке Jupiter в LLNL, чтобы проверить новую теорию CBET в условиях циркулярной поляризации. Параллельно исследователи продолжат добавлять больше физических эффектов в моделирующие коды для дальнейшего совершенствования соответствующих моделей.