| может происходить скачкообразное уменьшение электропроводности и он приобретает свойства диэлектрика. При этом наблюдается скачкообразное уменьшение коэфф. отражения света.
Облучение твёрдых мишеней. При облучении практически всех твёрдых мишеней миллисекундными импульсами Л. и. с плотностью потока излучения ~107-109 Вm/см2 в потоке пара от испаряющейся мишени, как и в предыдущем случае, образуется плазма. Темп-pa плазмы 104-105 К. Таким методом возможно получение значит, количества химически чистой плотной низкотемпературной плазмы для заполнения магнитных ловушек и для разного рода технологич. целей (см., напр., Плазматрон). Испарение твёрдых мишеней под действием Л. и. широко используется в технике (см. Лазерная технология).
Рис. 2. Спектральные линии многозарядных ионов Са, образующиеся в плазме от твёрдой мишени, содержащей Са.
При фокусировке на твёрдую мишень наносекундных лазерных импульсов с плотностью потока излучения 1012- 1014 вт/см2 поглощающий слой вещества разогревается так сильно, что сразу превращается в плазму. В этом случае уже нельзя говорить об испарении мишени, границе раздела фаз и т. п. Энергия Л. и. расходуется на нагревание плазмы и продвижение фронта разрушения и ионизации в глубь мишени. Темп-ра плазмы оказывается столь высокой, что в ней образуются многозарядные ионы, в частности Са16+ и др. (рис. 2). Образование ионов такой высокой кратности ионизации до недавнего времени наблюдалось только в излучении солнечной короны. Образование ионов с почти ободранной электронной оболочкой интересно также с точки зрения возможности осуществления в ускорителях многозарядных ионов ядерных реакций на тяжёлых ядрах.
Лазерная искра (оптический пробой газа). При фокусировке в воздухе при атм. давлении лазерного луча с плотностью потока излучения ~1011 em/см2 в фокусе линзы наблюдается яркая световая вспышка (рис. 3) и сильный звук. Это явление наз. лазерной искрой. Длительность вспышки в 10 и более раз превосходит длительность лазерного импульса (30 нсек). Образование лазерной искры можно представить себе состоящим из 2 стадий: 1) образование в фокусе линзы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное поглощение Л. и.; 2) распространение плазмы вдоль луча в области фокуса. Механизм образования затравочной плазмы аналогичен высокочастотному пробою газов. Отсюда термин - оптический пробой газа. Для пикосекундных импульсов Л. и. (I ~ 1013-1014 вт/см2) образование затравочной плазмы обусловлено также многофотонной ионизацией (см. Многофотонные процессы). Нагревание затравочной плазмы Л. и. и её распространение вдоль луча (навстречу лучу) обусловлено неск. процессами, одним из к-рых является распространение от затравочной плазмы сильной ударной волны. Ударная волна за своим фронтом нагревает и ионизирует газ, что, в свою очередь, приводит к поглощению Л. и., т. е. к поддержанию самой ударной волны и плазмы вдоль луча (с в е- товая детонаци я). В др. направлениях ударная волна быстро затухает.
Т. к. время жизни плазмы, образованной Л. и., значительно превышает длительность лазерного импульса, то на больших расстояниях от фокуса лазерную искру можно рассматривать как точечный взрыв (почти мгновенное выделение энергии в точке). Это объясняет, в частности, высокую интенсивность звука. Лазерная сскра исследована для ряда газов при различных давлениях, разных условиях фокусировки, разных длинах волн Л. и. при длительностях импульсов от 10-6 до 10-11 сек.
Лазерную искру можно наблюдать и при значительно меньших интенсивно- стях, если затравочная поглощающая плазма в фокусе линзы создаётся заранее. Напр., в воздухе при атм. давлении лазерная искра развивается из электроразрядной затравочной плазмы при интенсивности Л. и. ~107 вт/см2; Л. и. "подхватывает" электроразрядную плазму и за время лазерного импульса свечение распространяется вдоль каустической поверхности линзы. При относительно малой интенсивности Л. и. распространение плазмы обусловлено теплопроводностью, в результате чего скорость распространения плазмы - дозвуковая. Этот процесс аналогичен медленному горению, отсюда термин "лазерная искра врежиме медленного горени я".
Стационарное поддержание лазерной искры было осуществлено в различных газах с помощью непрерывного СО2-ла- зера мощностью в неск. сотен вт. Затравочная плазма создавалась импульсным СО2-лазером.
Рис. 3. В фокусе лазерного пучка в воздухе образуется лазерная искра.
Термоядерный синтез. С помощью Л. и. возможно осуществление реакции термоядерного синтеза. Для этого необходимо образование чрезвычайно плотной и горячей плазмы с темп-рой, в случае синтеза ядер дейтерия, ~108 К. Для того чтобы энерговыделение в результате реакции превышало энергию, вложенную в плазму при её нагреве, необходимо выполнение условия:
nr>= 1014 см-3сек,
где n - плотность плазмы, r - время её существования. Для коротких лазерных импульсов это условие выполняется при очень высоких плотностях плазмы. При этом давление в плазме столь велико, что её магнитное удержание практически невозможно. Возникающая вблизи фокуса плазма разлетается со скоростью ~108 см/сек. Поэтому т - время, за которое сгусток плотной плазмы ещё не успевает существенно изменить свой объём (время инерционного удержания плазмы). Для осуществления термоядерного синтеза длительность лазерного импульса Tл, очевидно, не должна превышать т. Миним. энергия лазерного импульса Е при плотности плазмы n = 5-1022 см-3 (плотность жидкого водорода), времени удержания т. = 2 • 10-9 сек и линейных размерах плазменного сгустка 0,4 см должна составлять: Е = 6Х105 дж. Однако эффективное поглощение света плазмой в условиях её инерционного удержания и выполнение условия ит ~ 10-14 имеет место лишь для определённых длин волн h:
[1402-24.jpg]
где
[1402-25.jpg]
- критич. длина волны для плазмы с плотностью п (см. Плазма). При
[1402-26.jpg]
лежит в ультрафиолетовой области спектра, для к-рой пог.л не существует мощных лазеров. В то же время при X, = 1 мкм (неодимо- вьш лазер) даже для n = 1021 см~3, соответствующей ХКР, получается трудно осуществимое значение миним. энергии ? = Ю9 дж. Трудность ввода энергии Л. и. видимого и инфракрасного диапазонов в плотную плазму является фундаментальной. Существуют различные идеи относительно её преодоления, среди к-рых представляет интерес получение сверхплотной горячей плазмы в результате адиабатич. сжатия сферич. дейтериевой мишени реактивным давлением плазмы, выбрасываемой с поверхности мишени под действием Л. и.
Впервые высокотемпературный нагрев плазмы Л. и. был осуществлён при оптич. пробое воздуха. В 1966-67 при плотности потока Л. и. ~1012-1013 вт/см2 было зафиксировано рентгеновское излучение от плазмы лазерной искры, имеющей темп-ру ~1-3-Ю6 К. В 1971 при облучении твёрдой сферической водородосо- держащей мишени Л. и. с плотностью потока до 10"> вт/см2 была получена плазма с темп-рой (измеренной по рентгеновскому излучению) Ю7 К. При этом наблюдался выход 106 нейтронов за импульс. Полученные результаты, а также имеющиеся возможности увеличения энергии и мощности лазеров создают перспективу получения с помощью Л. и. управляемой термоядерной реакции.
Химия резонансно-возбуждённых молекул. Под действием монохроматического Л. и. возможно селективное воздействие на химические связи молекул, что позволяет избирательно вмешиваться в химич. реакции синтеза, диссоциации и процессы катализа. Многие химич. реакции сводятся к разрушению одних химич. связей в молекулах и созданию других. Связи между атомами обусловливают колебательный спектр молекулы. Частоты линий этого спектра зависят от энергии связи и массы атомов. Под действием монохроматич. Л. и. резонансной частоты отд. связь может быть "раскачена". Такая связь легко может быть разрушена и заменена другой. Поэтому колебательно возбуждённые молекулы оказываются химически более активными (рис. 4).
Рис. 4. Схема реакции тетрафторгидразина (NeF-O и окиси азота (NO) при нагревании (вверху) и при резонансном возбуждении связи N-F лазерным излучением (внизу). Спиральки изображают химические связи.
С помощью Л. и. можно осуществить разделение молекул с разным изотопным составом. Эта возможность связана с зависимостью частоты колебаний атомов, составляющих молекулу, от массы атомов. Монохроматичность и высокая мощность Л. и. позволяют избирательно возбуждать на преддиссоциационный уровень молекулы только одного изотопного состава и получать в продуктах диссоциации химические соединения моноизотопического состава или сам изотоп. Т. к. число диссоциированных молекул данного изотопного состава равно числу поглощённых квантов, то эффективность метода по сравнению с другими методами изотопов разделения может быть высокой.
Перечисленные эффекты не исчерпывают всех физич. явлений, обусловленных действием Л. и. на вещество. Прозрачные диэлектрики разрушаются под действием Л. и. При облучении нек-рых ферромагнитных плёнок наблюдаются локальные изменения их магнитного состояния, что может быть использовано при создании быстродействующих переключающих устройств и элементов памяти ЭВм. При фокусировке Л. и. внутри жидкости имеет место т. н. светогидрав- лич. эффект, позволяющий создавать в жидкости высокие импульсные давления.
Наконец, при плотностях потока излучения ~1018-1019 em/см2 возможно ускорение электронов до релятивистских энергий. С этим связан целый ряд новых эффектов, напр, рождение электронно- позитронных пар.
Лит.: Райзер Ю. П., Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча, "Успехи физических наук", 1965, т. 87, в. 1, с. 29; Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Действия излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М., 1970; Басов Н. Г., КрохинО. Н., К р ю к о в П. Г., Лазеры и управляемая термоядерная реакция, "Природа", 1971, № 1; Действие лазерного излучения. Сб. ст., пер. с англ., под ред. Ю. П. Райзера, М., 1968; Б а с о в Н. Г. [и др.], Лазеры в химии, "Природа", 1973, № 5. В. Б. Фёдоров, С. М. Шапиро.
Лазерное излучение в биологии. Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологич. действия Л.и. Нек-рые возможные биолого-мед, аспекты его использования были намечены Ч. Таунсом (1962). В последующем оказалось, что возможная сфера применения Л. и. шире. Биолого-мед, эффекты Л. и. связаны не только с высокой плотностью потока излучения и возможностью фокусировки луча на самых малых площадях, но, по-видимому, и с др. его характеристиками (монохроматичностью, длиной волны, когерентностью, степенью поляризации), а также с режимом излучения. Один из важных вопросов при использовании Л. и. в биологии и медицине - дозиметрия Л. и. Определение энергии, поглощённой единицей массы биообъекта, связано с большими трудностями. Различные ткани неодинаково поглощают и отражают Л. и. Кроме того, Л. и. в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антаго- нистич. действие на биообъект. Поэтому и невозможно ввести при оценке эффекта Л. и. коэффициент качества. Характер эффекта Л. и. определяется прежде всего его интенсивностью, или плотностью потока излучения. В случае импульсных излучателей важны также длительность импульсов и частота их следования. Из-за избирательности поглощения Л. и. биологич. эффективность может не соответствовать энергетич. характеристикам Л. и. Условно различают термические и нетермические эффекты Л. и.; переход от нетермич. к термич. эффектам лежит в диапазоне 0,5-1 em/см2. При плотностях потока излучения, превышающих указанные, происходит поглощение Л. и. молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекул белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного термич. воздействия. Однако Л. и. обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует сильная обводнённость биообъекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных областях, смежных с облучаемой. При импульсных термич. воздействиях ввиду очень короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблюдается так называемый взрывной эффект: возникает султан выброса, состоящий из частиц ткани и паров воды; |
