Ученые разработали технологию, которая помогает фиксировать эволюцию плазмы во времени и пространстве. Это позволяет снимать плазму со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду.
Как известно, плазма — ионизированный газ и четвертое состояние вещества. На нее приходится более 99% материи во Вселенной. Понимание свойств плазмы крайне важно для разработки термоядерных источников энергии, моделирования астрофизических объектов, совершенствования технологий производства полупроводников в современных сотовых телефонах и в прочих изысканиях.
Однако сложно наблюдать и определять, что происходит внутри плазмы высокой плотности. События разворачиваются за триллионные доли секунды и остаются крайне непредсказуемыми.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory) разработали новый способ диагностики, который фиксирует эволюцию плазмы во времени и пространстве с помощью одного лазерного импульса. Благодаря этой разработке можно создавать фильмы о плазме со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду, показывая сверхбыструю динамику, недоступную ранее для наблюдений.
Сама идея использовать лазер для съемок плазмы не нова. Но обычно ученые, используя высокоэнергетические лазеры, получали одно изображение на один импульс. Исследователи снимали много изображений и монтировали их вместе, что создавало большие погрешности. Плазмы очень нестабильны и непредсказуемы, и ученым важно получать как можно больше информации единовременно.
Новая технология Single-shot Advanced Plasma Probe Holographic Reconstruction (SAPPHIRE) позволяет все фиксировать за один раз. Авторы исследования, опубликованного в Optica, применяли особый лазерный импульс с так называемым «чирпом» (chirp). Лазерный импульс и входящие в него цвета растягиваются во времени. К примеру, в этой работе использовался отрицательный чирп. Первым проходил синий цвет, имеющий более короткие волны, а следом — красный с более длинными волнами.
Верхняя половина лазерного луча, проходя через плазму, преломляется и деформируется, а нижняя половина — нет. На другом конце плазмы SAPPHIRE разделяет две половины луча и рекомбинирует их, создавая уникальную интерференционную картину для каждой длины волны — для каждого момента времени.
Математическая обработка помогает преобразовать этот рисунок в карту электронной плотности плазмы, позволяя ученым получить необычайно детализированный фильм, показывающий, как плазма меняется со временем.
Авторы протестировали SAPPHIRE на газовых струях из смеси гелия и азота. Однако исследователи считают, что метод можно использовать для изучения других видов плазмы.