Смена поляризации: как улучшение лазера для термоядерного синтеза повысит его мощность и надёжность

Расчёты показали, что круговая поляризация света способна уменьшить паразитические эффекты и снизить риск повреждения оптики

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) установили, что относительно простое изменение параметров лазерного излучения может усилить надёжность и потенциально увеличить мощность Национальной установки зажигания (NIF) — крупнейшей в мире системы для экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу.

Вместо привычной линейной поляризации исследователи предлагают перейти на круговую.

Установка NIF состоит из 192 лазеров, которые должны с высокой точностью пройти через отверстия диаметром всего 3 мм в камеру диаметром около 2 см, где создаются условия для термоядерной реакции. Внутри плазмы лучи взаимодействуют друг с другом, перераспределяя энергию в процессе, известном как перекрёстная передача энергии между пучками (crossed-beam energy transfer, CBET). Именно точная настройка данного эффекта способствовала достижению воспламенения топлива на NIF.

Авторы нового исследования решили проверить, как на CBET повлияет не изменение длины волны, а переход от линейной поляризации к круговой. Компьютерное моделирование показало, что круговая поляризация снижает различия в распределении энергии между лучами, которые входят под одинаковыми углами.

Это, в свою очередь, уменьшает вероятность возникновения обратного рассеяния — нестабильностей, способных повредить дорогостоящую оптику. По словам руководителя исследования Пьера Мишеля (Pierre Michel), сокращение обратного рассеяния потенциально позволит работать лазеру на более высоких мощностях.

Тем не менее, внедрить такую схему в практику достаточно сложно. Для этого потребуется специальная четвертьволновая пластина, преобразующая линейно поляризованный свет в круговой. По словам главного инженера лазерных систем NIF Жан-Мишеля Ди Никола (Jean-Michel Di Nicola), в настоящее время не существует простого метода производства подобного элемента с размерами и характеристиками, необходимыми для NIF. Одним из возможных решений рассматривается запатентованная метаповерхностная технология.

Результаты, опубликованные в журнале Physics of Plasmas, пока основаны на моделировании. Следующим этапом станут эксперименты на более компактной лазерной установке Jupiter Laser Facility, а также дальнейшее совершенствование вычислительных моделей.

Если выводы будут подтверждены, то изменение, касающееся лишь поляризации света, может стать одним из относительно простых способов повышения эффективности и устойчивости лазерных систем, лежащих в основе управляемого термоядерного синтеза.