Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Výkonové zdroje laserového záření a jimi produkované plazma

Základním úkolem oddělení laserového plazmatu je provozování, údržba a vývoj výkonového jódového fotodisociačního laserového systému Asterix včetně jeho interakční části, zejména za účelem uživatelského provozu. Z organizačního hlediska je tento systém součástí badatelského centra PALS (společné laboratoře FZÚ a IFP AV ČR) a je umístěn ve speciální budově ÚFP dokončené v r. 1999. Systém Asterix byl původně vyvinut a provozován v Ústavu Maxe Plancka pro kvantovou optiku MPQ v Garchingu u Mnichova a do ČR byl předán na základě smlouvy z r. 1996. Kromě provozu systému Asterix má oddělení laserového plazmatu i vlastní vědecký program.

Fundamentální aspekty interakce intenzivního laserového záření s plazmatem

Zmíníme se o vlastnostech plazmatu generovaného ns laserovým svazkem v IČ a viditelném oboru na různých terčících a jeho vnějších projevech jako zdrojů Röntgenova záření a vícenásobně nabitých iontů. Diagnostické metody vyvinuté v našem oddělení pro laserové plazma jsou využívány i pro další plazmové zdroje podobných vlastností, např. pinče a plasma focus.

Studium a využití bodových zdrojů nekoherentního měkkého Röntgenova (XUV) záření

K dispozici jsou speciální zdroje vysoce energetických (~ 100 J) pulzů XUV záření, které spolu s optimalizací ozařovacích podmínek zajišťují možnost deponovat ve zvolené soustavě jedním subnanosekundovým pulzem velmi vysokou dávku tohoto záření. Tyto bodové zdroje XUV záření jsou využivány pro rentgenovou mikroskopii biologických objektů a při výzkumu interakce rentgenového záření s povrchy, zvláště pak rentgenové ablace. To vše při vyloučení vlivu nabitých částic či dlouhovlnného (ultrafialového, viditelného, blízkého infračerveného) záření, též vždy emitovaných laserovým plazmatem, na studovaný systém. Z hlediska fyziky je zajímavá korelace s emisí vysoce nabitých iontů během expanse plazmatu a rovněž s emisí tvrdšího Röntgenova záření přímo z laserového fokusu.

Realizace a využití laserových iontových zdrojů

Ve spolupráci s IPPLM Varšava a INFN Catania probíhá využití laserových zdrojů mnohonásobně nabitých těžkých iontů, např. pro iontovou implantaci nebo jako injektorů pro velké urychlovače nabitých částic. Tento druh iontových zdrojů byl v současnosti dokonce dotažen až do komerčního stádia a přicházel by v úvahu i jako alternativní zdroj pro začínající urychlovač LHC v CERN. Generace a urychlování vysoce nabitých iontů probíhá zejména v plazmatické koroně generované na terčíku nanosekundovým impulsem elektronovými srážkami. Kinetika elektronového plynu v plazmatu je tudíž určující pro vlastnosti iontových grup pozorovaných během expanze plazmatu.

Vlastnosti elektronového plynu pod vlivem dopadajícího laserového záření jsou v jejich časovém vývoji nepřístupné přímé diagnostice, proto byl vyvinut alespoň teoretický model spočívající na přímém řešení Vlasovovy rovnice v 1D aproximaci, který rovněž odhalil i řadu zajímavých souvislostí ve vztahu k Ramanovu rozptylu dopadajícího záření. Takové modely se uplatní i jinde, např. při popisu vstupu laserových svazků do dutinky (hohlraum) s termonukleárním terčíkem při experimentech laserovou termonukleární fúzí typu nepřímého ohřevu.

V našem oddělení byla též na základě pečlivé analýzy signálů z iontových detektorů poprvé prokázána původní hypotéza, že překvapivá účinnost laserového iontového zdroj i při nízkých hustotách výkonu je dána jevem spontánní samofokusace či filamentace dopadajícího laserového svazku. Tak bylo možno interpretovat složitější strukturu emitovaných iontových grup a prokázat, že ji lasery o nižším výkony v impulzu jsou využitelné jako zdroj záření zejména v iontových zdrojích v opakovacím režimu.

Překvapivým výsledkem dosaženým v souvislosti se studiem expanze plazmatu byl objev spontánních plazmatických výtrysků (jets) viditelných na časových interferogramech ve viditelném oboru šířících se ještě dlouho po odeznění laserového impulsu proti směru laserového svazku zejména na terčích z těžších prvků. Tyto plazmatické výtrysky mají řadu hydrodynamických podobnostních parametrů velmi blízkých výtryskům doprovázejícím planetární mlhoviny a analogické objekty v naší Galaxii. Generace laserového plazmatu tím vstoupila na půdu laboratorní astrofyziky.

Detekce a spektroskopie Röntgenova záření

Jedním z nejvýznamnějších přínosů v oboru spektroskopie měkkého rentgenového záření je návrh a realizace unikátního Röntgenova spektrografu Johannova typu s válcově ohnutým krystalem a vertikální disperzí, který je nyní v řadě zahraničních laserových laboratoří využíván pro výzkum rentgenových spekter s ultravysokým prostorovým i spektrálním rozlišením. Tento pionýrský návrhu spektrografu pochází z našeho oddělení, kde byl postaven i jeho prototyp využívaný rozšíření i do dalších laserových laboratoří ve světě.

Dalším obdobným směrem je vývoj nových detektorů měkkého rentgenového záření na principu termoluminiscenční dosimetrie a jejich kalibrace. Podobné detektory byly vyvinuty a jsou současně využívány i pro detekci neutronů z plazmatu generovaného zařízením PF1000 (plasma focus) ve Varšavě.

Měkké Röntgenovo záření je též nástrojem pro zcela unikátní metodu atomové holografie vyvinuté v našem oddělení ve spolupráci s italským pracovištěm Sinchrotrone Trieste. Tato metoda je schopna zobrazit jednotlivé atomy elementární buňky krystalu nezávisle na jeho preriodicitě.