1.2. Узагальнена принципова схема лазера ....... .... 18
1.3. Методи створення інверсії в активних середовищах. .... 19
1.4. Оптичні резонатори ...... .. ....... ......... .. .... 24
1.5. Ефективність роботи лазерів (коефіцієнт по-
корисного дії) ............................... .......... .... 28
Глава 2. Основні типи лазерів в діагностиці плазми. 30
2.1. Газові лазери ............... .. ....... .... .......... ....... 31
2.2. Рідинні лазери на барвниках ...... .. .... .... ....... 42
2.3. Твердотільні лазери ......................... .......... 45
2.4. Напівпровідникові інжекційні лазери .......... 48
Глава 3. Поширення електромагнітних хвиль в плазмі. ................................................. ....... 50
3.1. Основи електродинаміки плазми ...................... 50
3.2. Електромагнітні хвилі в ізотропної плазмі. Ефективна частота зіткнень ...................... 51
3.3. Електромагнітні хвилі в магнітно-активної плазмі ....................................................... .... 56
Глава 4. Діагностичні методики, засновані на поглинанні, відображенні і відхиленні зондуючого випромінювання в плазмі ......................... ....... 58
4.1. Поглинання електромагнітного випромінювання в
4.2. Переломлення електромагнітних хвиль в плазмі .... 60
4.3. Метод тіньового фотографування ................... 61
Глава 5. Інтерферометрія плазми ......................... 70
5.1. Основні оптичні схеми інтерферометрів, що застосовуються в діагностиці плазми ................... 73
5.2. Методи реєстрації фазових зрушень при інтерферометричний вимірах ............................ 82
5.3. Інтерферометрія з гетеродинним перенесенням спектру сигналу на проміжну частоту .......... .... 98
5.4. Інтерферометрія з диференціальної фотореєстрації .............................................. 99
5.5. Інтерферометрія з квадратурної фото-
5.6. Активна лазерна интерферометрия. ............. ...... 107
5.7. Інтерферометри з пасивної і активної стабілізацією вимірювального плеча ............................ 116
5.8. Двохвильові інтерферометри з компенсацією
вібропомех в плазмовому експерименті. .......... ... 122
5.9. Дисперсійний інтерферометр ............. ............. 128
5.10. Двохвильова діагностика частково іонізованої плазми .......................................................... 130
Глава 6. Голографічні методи дослідження плазми. 136
Глава 7. Вимірювання магнітного поля в плазмі. Лазерна поляриметрия ........................................... 145
7.1. Ефект Фарадея і обертання площини поляріза-
7.2. Фізичні основи поляриметрії світла ...............
7.3. Лазерні методи дослідження магнітних полів в імпульсної плазмі .......................................... 157
7.4. Вимірювання магнітних полів на установках типу токамак ......................................................... 163
Глава 8. Відновлення локальних параметрів плазми за даними інтегральних вимірювань ................ 167
Глава 9. Визначення параметрів плазми з розсіювання лазерного випромінювання ....................................... 172
Додаток 1. Метрологічні характеристики електромагнітних
Додаток 2. Детектирование оптичного випромінювання ....... 189
Список літератури……………….….……………………………. 200
Додаткова література………………………………………. 201
Логіка і порядок викладу матеріалу визначалися як існуючим навчальним планом для студентів МІФІ, так і прагненням розширити аудиторію Новомосковсктелей з різним ступенем підготовки. Тому в перших двох розділах представлені основні принципи і поняття лазерної фізики і розглянуті конкретні типи лазерів, що знайшли найбільше застосування в діагностиці плазми. У третьому розділі розглядаються основні ефекти поширення електромагнітних хвиль в плазмі. Більша частина книги присвячена викладу матеріалу по конкретним діагностичних методів.
Важливою обставиною, що визначив необхідність видання даного посібника, стало повна відсутність навчальної літератури, випущеної в центральних іздательствахУкаіни, по лазерної діагностики плазми російською мовою. З моменту виходу
в світло відомих монографій (не підручник!) [16, 23, 27] пройшло більше 30 років. У не менш відомі, але мають ще більш солідний вік, книги по діагностиці плазми [28 - 30] включені розділи з лазерної діагностики. В даний час в рамках розглянутого нами розділу діагностики вони представляють швидше історичний інтерес. З більш пізніх видань радянського періоду російською мовою, які не втратили актуальності до теперішнього часу, можна виділити [11, 31 - 33], але в кожному з них викладаються лазерні методи для діагностики плазми з параметрами обмеженого діапазону. З оригінальними роботами останніх десяти років, в тому числі, і в області лазерної діагностики плазми можна ознайомитися в матеріалах Всеукраїнських нарад з діагностики високотемпературної плазми і українських семінарів «Сучасні засоби діагностики плазми та їх застосування для контролю речовин і навколишнього середовища», але до розряду навчальної літератури і їх не можна віднести також.
Початок дослідженню плазми було покладено М.В. Ломоносовим і його сподвижником і опонентом Г.В. Ріхманом. Вони займалися вивченням грозових явищ ще в першій половині XVIII ст. Через недосконалість діагностичної апаратури закінчилися ці дослідження трагічно. У 1753 р Георг Вільгельм Ріхман загинув, за однією з гіпотез, від кульової блискавки при дослідженні за допомогою "електричного покажчика" (прообразаелектроскопа), який не був заземлений. Після цього дослідження електрики вУкаіни на час були заборонені.
На самому початку XIX століття український фізик Василь Смелаовіч Петров досліджував створену ним електричну дугу в атмосфері. Результати цих робіт були їм оприлюднені в 1803 р в книзі «Известия про гальвані-вольтовскіх дослідах». На сучасній мові можна сказати, що це були перші досліди з лабораторної плазмою. Але про появу діагностики плазми як розділу фізики плазми можна говорити, після того як в 30-х роках ХХ ст. Ірвінг Ленгмюра ввів сам термін «плазма» для опису стану речовини в позитивному стовпі тліючого розряду.
Однак уже через два десятиліття, коли провідні держави світу розпочали вкладати значні кошти в вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу (КТС), фізика плазми стала бурхливо розвиватися. Природно, що відразу ж потрібні були кошти виміру параметрів плазмових об'єктів. Основою перших методик для діагностики плазми стали експериментальні прилади, створені в таких областях науки і техніки, як оптика, астрофізика, гідро- і газодинаміки, техніка НВЧ, техніка високих напруг, електроніка та ін. Згодом діагностика плазми стала важливим розділом фізики плазми.
Плазму часто називають «четвертим» станом речовини. У стані плазми перебувають основні об'єкти Всесвіту - зірки. Найближча з них - Сонце, випромінювання якого є основним джерелом енергії на Землі. У природі речовина в стані плазми зустрічається досить рідко. Плазма зазвичай утворюється при концентрації високої щільності енергії в малих обсягах, наприклад, у вигляді кульової (рис. В1) або лінійної блискавки
Мал. В 1. Кульова блискавка (з гравюри кінця XIX в.)
Переважна кількість досліджень плазми проводиться в лабораторних умовах. До теперішнього часу на створених установках отримано надзвичайна розмаїтість параметрів лабораторної
плазми. Так, діапазон зміни електронної концентрації N e - п'ятнадцять порядків (від 10 9 см -3 в газовому розряді до 10 24 см -3 в
лазерній плазмі). Температура Т змінюється на чотири порядки: від часток і одиниць електронвольт (плазмотрон) до десятків кілоелектронвольт (імпульсні термоядерні установки). Плазмові об'єкти мають характерні розміри l від 10 -3 см в установках инерциального синтезу (рис. В3), до 10 3 см в тороидальной установці з магнітним полем «токамак» (рис. В4). час суще-
ствования t короткоживущей плазми може становити всього декількох Піко навіть десятків фемтосекунд (лазерна плазма). В електричному розряді постійного струму, з іншого боку, плазма існує стаціонарно. Можливі значення магнітного поля H також охоплюють широкий діапазон: від нуля до декількох мегаерстед (плазмовий фокус).
Необхідність в отриманні інформації про параметри настільки розрізняються плазмових об'єктів закономірно призвела до розробки і впровадження в плазмовий експеримент великої кількості діагностичних методик. При цьому дуже важливим є відсутність контакту діагностичного інструменту з плазмою, в іншому випадку можлива зміна її параметрів. Безконтактні методи є найбільш переважними в плазмових дослідженнях.
Інформацію про плазму можна отримати, досліджуючи емісію з плазми різного роду випромінювань (пасивна діагностика), або
Мал. У 3. Мішенню вузол для експериментів по инерциальном термоядерного синтезу
(National Ignition Facility (NIF). Los Alamos)
Мал. В 2. Лінійна блискавка в атмосфері
зондуючи плазмовий об'єкт за допомогою зовнішнього джерела з-
лучанин (активна діагностика).
У свою чергу, серед активних методик виділяються ті, в яких взаємодія електромагнітного випромінювання з плазмою не призводить до обуренню її стану. Однак при цьому сама плазма вносить в що проходить через неї електромагнітну хвилю амплітудні, фазові і поляризаційні спотворення, оскільки має сильно виражені дисперсійними властивостями і анізотропією
в магнітному полі. Вимірювання внесених спотворень дозволяє визначити основні характеристики плазми. До них ми перш за все будемо відносити температуру і концентрацію складових плазму частинок.
Серед ефектів взаємодії електромагнітного випромінювання з плазмою, які знайшли застосування в діагностиці, виділимо основні.
Це поглинання, відображення, відхилення на градієнтах концентрації, рефракція (тобто зміна довжини оптичного шляху в порівнянні з вакуумом або повітрям) і фарадеевского обертання площини поляризації, яке з'являється при наявності складової магнітного поля, паралельної напрямку распростране-
ня хвилі. Перераховані ефекти використовують для визначення інтегральних характеристик вздовж напрямку зондування плазмового утворення. Процес розсіювання фотонів на вільних електронах або на флуктуаціях щільності, хоча і має дуже низький перетин, знаходить широке застосування в діагностиці плазми, так як дозволяє отримати інформацію про локальні значеннях параметрів плазми.
60-ті роки минулого століття були ознаменовані великим відкриттям у фізиці - створенням лазерів. Роль цієї події для науки і практики важко переоцінити. На сьогоднішній день важко назвати область людської діяльності, де б вони не використовувалися. Теодор Мейман, творець першого в світі лазера, ще на зорі лазерної ери стверджував, що «... застосування лазерів буде обмежено, по суті, лише уявою і винахідливістю інженерів». Дуже швидко лазер перетворився з об'єкта досліджень в універсальний інструмент, який знайшов застосування практично у всіх областях діяльності людини в науці, промисловості, медицині. Застосування лазера як средст-
ва вимірювання фізичних