Простая смена поляризации может сделать крупнейший лазер для термоядерного синтеза мощнее и надёжнее

Физики Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) выяснили, что сравнительно простое изменение характеристик лазерного излучения может повысить 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 использовать круговую.

Установка NIF использует 192 лазера, которые должны с ювелирной точностью попасть через отверстия диаметром всего 3 мм в полость 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 этого эффекта помогла добиться воспламенения топлива на NIF.

Изображение сгенерировано: Nano Banana 📷

Авторы новой работы решили проверить, как на CBET повлияет не изменение длины волны, а переход от линейной поляризации к круговой. Компьютерное моделирование показало, что круговая поляризация уменьшает различия в распределении энергии между лучами, входящими под одинаковыми углами.

Это, в свою очередь, снижает вероятность возникновения обратного рассеяния — нестабильностей, которые могут повреждать дорогостоящую оптику. По словам руководителя исследования Пьера Мишеля (Pierre Michel), уменьшение обратного рассеяния потенциально позволит эксплуатировать лазер на более высоких мощностях.

Схема распределения 96 пучков излучения нижней полусферы NIF в целевой камере, цветовая кодировка которых соответствует коэффициенту усиления CBET. На левом изображении показан эффект циркулярно поляризованного света с меньшими вариациями внутри внутренних конусов по сравнению с правым изображением, показывающим эффект линейно поляризованного излучения. Источник: Lawrence Livermore National Laboratory 📷

Однако реализовать такую схему на практике непросто. 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), сегодня не существует простого способа изготовить подобный элемент с размерами и характеристиками, необходимыми для NIF. Одним из возможных решений рассматривается запатентованная метаповерхностная технология.

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

Если выводы подтвердятся, то изменение, затрагивающее лишь поляризацию света, может стать одним из сравнительно простых способов повысить эффективность и устойчивость лазерных систем, лежащих в основе управляемого термоядерного синтеза.