ИТФ им. Л.Д. Ландау L.D.Landau ITP RAS

Сектор плазмы и лазеров Plasma & Lasers (RU| EN)

Основные направления исследований

  1. Взаимодействие лазерного излучения с веществом
  2. Экстремальные состояния вещества
  3. Гидродинамические неустойчивости

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Важное место в работе сектора занимает исследование взаимодействия лазерного излучения с конденсированным веществом. В настоящее время наибольший интерес вызывает воздействие на конденсированные мишени (металлы, диэлектрики, полупроводники) ультракоротких импульсов фемтосекундной длительности. Столь малые длительности лазерных импульсов приводят к отличительным чертам в абляции (уносу вещества с поверхности мишени). В секторе впервые детально исследована структура абляционного факела. возникающего в результате воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на металлы. Показано наличие оболочки из конденсированной фазы металла, отделенной от кратера в мишени двухфазной смесью конденсированного вещества и пара. Это позволило объяснить наблюдаемые при экспериментальном изучении лазерной абляции оптические явления, в частности , систему колец Ньютона. Удалось объяснить специфическую форму кратеров при действии фемтосекундных импульсов на металлические мишени, наличие нескольких порогов для величины паверхностной плотности энергии (порога плавления, порога абляции, порога испарения), в окрестности которых резко меняется характер взаимодействия излучения с веществом. Для исследования абляционной структуры использованы гидродинамические расчеты и молекулярно-динамическое моделирование. При гидродинамическом подходе, наиболее адекватном на ранней стадии взаимодействия лазерного импульса с веществом мишени, учтено отличие температур электронов и ионов в сильно неидеальной плазме металла высокой плотности, соответствующей конденсированному веществу, и использованы уравнения двухтемпературной гидродинамики, включающие электронную и ионную теплопроводность и обмен энергией между электронной и ионной подсистемами. Молекулярно-динамическое моделирование, выполненное с привлечением параллельных компьютерных вычислений, проведено для максимально возможного в настоящее время числа частиц, участвующих в моделировании (до нескольких сотен миллионов). При этом для взаимодействия частиц вещества мишени использованы как парные межчастичные потенциалы, так и наиболее хорошо описывающие исследуемые металлы многочастичные потенциалы. Проводить подобные расчеты в настоящее время могут лишь несколько научных групп в мире. Впервые проведен расчет абляции металлической мишени (алюминий) с одновременным использованием гидродинамического и молекулярно-динамического подходов, когда параметры состояния мишени, полученные на ранней гидродинамической стадии, являются начальными данными для последующей молекулярной динамики расширения вещества мишени, позволяющей наиболее адекватно исследовать возникающие при этом фазовые переходы и структуру многофазного абляционного облака. Теоретическое изучение взаимодействия лазерного излучения с твердотельными мишенями проходит при тесном взаимодействии с экспериментальными исследованиями, в частности, с экспериментами, проводимыми на уникальной лазерная системы на хром-форстерите с длительностью импульса 40-100 фс в РАН. Используемая ?pump-probe? схема оптической диагностики позволяет следить за эволюцией состояния вещества мишени с временным шагом 100 фс и достигать наилучшей сейчас точности при нахождении коэффициента отражения (~1%) и измерении фазы отраженного дигностическго луча (~1 нм для разности хода лучей). Эта лазерная система и диагностическая техника успешно использованы при исследовании действия ультракоротких лазерных импульсов на конденсированные мишени из металлов и полупроводников.

Экстремальные состояния вещества

Изучение вещества при больших значениях характеризующих его термодинамических параметров, таких, как давление и температура, а также при сильных внешних полях, имеет большое значение. Это важный аспект, в частности, астрофизических исследований. Развитие техники физического эксперимента позволяет создавать все более высокие давления, температуры и сильные внешние поля в земных условиях. Так, имеется значительный прогресс в деле создания экстремально больших давлений, мегабарного диапазона, при сжатии вещества в алмазных наковальнях. Получаемые при этом высокие давления имеют статический характер, что при одновременном улучшении техники диагностики, применении, в частности, более совершенных методов индикации давления, дифракционных методов с использованием синхротронного излучения для определения структуры вещества, позволяет исследовать различные превращения, происходящие в веществе при мегабарных давлениях. К таким превращениям относятся агрегатные, разнообразные структурные фазовые переходы, фазовые переходы диэлектрик-металл, переход металлов в сверхпроводящее состояние. Еще более высокие давления, вплоть до нескольких терабар, достигаются в нестационарных условиях взрывных экспериментов, что позволяет исследовать свойства вещества при таких экстремально больших значениях давления. Создание лазеров привело к появлению новых источников интенсивного воздействия на вещество, в частности, лазерное излучение используется для получения высоких температур. Широко ведутся экспериментальные работы по созданию с помощью мощных лазеров высоких давлений с целью сильного сжатия вещества, в частности, для целей инерционного термоядерного синтеза. Развитие техники лазеров ультракороткого (фемтосекундного) диапазона длительности импульса излучения позволяет выделять энергию лазерного излучения и повышать температуру вещества в столь малые промежутки времени, что для конденсированных сред становится возможным получение состояний с сильно отличающимися температурами электронной и ионной подсистем. Ультракороткие лазерные импульсы при взаимодействии с твердыми телами позволяют создавать уникальные электрон-фононные состояния в металлах, полупроводниках. Исследование электронной и ионной подсистем конденсированных фаз вещества под действием ультракоротких лазерных импульсов очень важно при рассмотрении взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом. Такая задача актуальна, в частности, для металлов в твердой фазе при изучении их абляции под действием интенсивного лазерного излучения. В качестве параметров, оказывающих существенное влияние на теплофизические свойства вещества, могут выступать внешние поля, такие, как сильное магнитное поле. Изучение поведения вещества, в частности, его конденсированных фаз, в условиях сильных магнитных полей, актуально для астрофизических исследований. Существующие в астрофизических условиях магнитные поля достигают столь больших значений, что наряду с кулоновским взаимодействием начинают определять структуру атомов, тем самым изменяя взаимодействие между ними и термодинамические свойства конденсированных фаз таких атомов. Меньшие, но неуклонно возрастающие по мере прогресса лазерной техники значения сильных магнитных полей наблюдаются при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом.

Гидродинамические неустойчивости

Гидродинамические явления относятся к числу ключевых в физике высоких плотностей энергии, астрофизике и химической технологии. Речь идет о сложных проблемах, связанных с гидродинамическими неустойчивостями и турбулентным перемешиванием. Таким образом, фундаментальными являются как проблемы неустойчивостей и турбулентности сами по себе, так и приложения их в перечисленных научных направлениях. В приложениях трудные гидродинамические проблемы "обрастают" многими дополнительными фундаментальными осложнениями, например, требуется учет термодинамики неидеальной плазмы (инерционный термоядерный синтез), или включение радиационных эффектов (астрофизика). Важное место среди гидродинамических неустойчивостей принадлежит неустойчивостям Релея-Тейлора и Рихтмайера-Мешкова. Особенно интересными являются нелинейные стадии этих неустойчивостей, возникающее при этом турбулентное перемешивание жидкостей. . Одновременно с исследованием турбулентности по Рихтмайеру-Мешкову проводятся исследования по нелинейным периодическим решениям задач о неустойчивости Рихтмайера-Мешкова и неустойчивости Релея-Тейлора. Эти исследования важны в интенсивно развивающейся физике нейтронных звезд. Они позволяют изучать такое интересное явление как акреция, т.е. поглощение окружающего вещества нейтронной звездой, исследовать характеристики аккреционного пояса на поверхности нейтронной звезды. Этот пояс возникает в зоне контакта аккреционного диска с поверхностью звезды. Здесь наблюдается, например, замедление из-за сдвигового турбулентного трения высокоскоростного потока на поверхности нейтронной звезды (снижение скорости вращения от кеплеровской до скорости вращения звезды).

© 2008, Institute for Theoretical Physics RAS
Report Problems