1. Постановка задачи

При воздействии мощного лазерного импульса фемтосекундной длительности на поверхность мишени, либо в её объем, формируется плазма. Такая плазма является источником рентгеновского излучения, ионов, электронов, источником излучения на частотах кратных частоте основного импульса и т.п. Появление лазерных систем, позволяющих генерировать мощные импульсы с высокой частотой повторения от нескольких Гц до нескольких кГц, делает необходимым наличие систем автоматизации эксперимента. В случае экспериментов с лазерной плазмой необходимо контролировать как параметры самого лазерного импульса, так и параметры формируемой плазмы. В связи с этим в лаборатории сверхсильных световых полей МГУ им. М.В. Ломоносова был создан комплекс программ в среде программирования LabVIEW, позволяющих в значительной степени автоматизировать процесс измерений. В частности, для диагностики лазерного импульса проводятся измерения качества фокусировки пучка и длительности импульса. Для диагностики плазмы существует возможность регистрации жесткого некогерентного рентгеновского излучения, энергетических спектров электронов и ионов, а также спектра излучения плазмы в оптическом диапазоне длин волн. Рассмотрим перечисленные возможности более подробно.

2. Описание решения

А. Измерение качества пучка М² и контроль фокусировки излучения на поверхность мишени.

М² - это величина, характеризующая насколько пространственная мода лазерного пучка отличается от гауссовской моды. Для оценки М² необходимо измерить диаметр пучка перед линзой и диаметр пучка в фокусе линзы.

При фокусировке излучения на поверхность мишени с помощью внеосевого параболического зеркала качество сфокусированного пятна существенным образом определяется положением параболического зеркала относительно мишени. Чтобы скорректировать положение параболического зеркала необходимо иметь возможность контролировать вид пятна фокусировки. Для этого изображение пятна фокусировки с поверхности переносится с увеличением на ПЗС камеру.

И в случае измерения параметра М², и в случае контроля качества фокусировки использовалась ПЗС камера производства компании Ormins с размером одного пикселя 8×8 мкм. Вид лицевой панели виртуального прибора (ВП) используемого в данном случае приведен на рисунке 1. С помощью данного ВП существует возможность проводить измерения как в непрерывном режиме, так и по приходу синхроимпульса. После измерения можно построить профиль пучка в поперечном направлении, определить его ширину и записать данные в файл.

Рис. 1 Вид лицевой панели ВП, используемого для оценки качества фокусировки лазерного импульса.

Б. Измерение длительности импульса с помощью автокоррелятора второго порядка.

Процедура измерения длительности импульса с помощью регистрации корреляционной функции второго порядка является достаточно распространенной методикой. В нашей лаборатории для этого используется автокоррелятор второго порядка, позволяющий измерить длительность импульса за один выстрел. Схема автокоррелятора приведена на рис. 2а. В данном случае корреляционная функция формируется в результате совмещения в разных точках пространства волн с различной задержкой относительно друг друга. Исходный лазерный пучок делится пополам. Одна половина пучка попадает на зеркало, а затем, отражаясь от него, падает на нелинейный кристалл. Вторая половина пучка проходит сквозь стеклянную пластинку, вносящую задержку, а затем тоже попадает на нелинейный кристалл. Кристалл вырезан так, чтобы генерация второй гармоники происходила неколлинеарным образом, чтобы измерять только интенсивность второй гармоники и избежать засветки от основного излучения. Для измерения пространственного профиля второй гармоники используется ПЗС линейка производства компании Ormins. Пример измерения корреляционной функции с помощью программного обеспечения показан на рис. 26. В данной программе пользователь имеет возможность проводить измерения в непрерывном режиме и в режиме «одного выстрела». То есть при нажатии на клавишу single shot происходит одно измерение. После измерения автоматически вычисляется значение ширины корреляционной функции по полувысоте, что сразу же позволяет определить длительность импульса в каждом лазерном выстреле. В программе предусмотрена возможность вычитания шумового сигнала, соответствующего засветке от внешних паразитных источников света, а также возможность проведения калибровки автокоррелятора или загрузки файла с данными о заранее проведенной калибровке.

(а)

(б)

Рис. 2 (а) - Схема измерения корреляционной функции второго порядка (1 -лазерный пучок, 2 - излучение второй гармоники, 3 - зеркало, 4 - кристалл второй гармоники, 5 - пластинка, вносящая задержку, 6 - ПЗС линейка), (б) - .Вид лицевой панели ВП, работающего с ПЗС линейкой.

В. Измерение выхода жесткого рентгеновского излучения и оценка средней энергии горячих электронов в плазме.

Регистрация выхода жесткого некогерентного рентгеновского излучения в два различных спектральных диапазона позволяет в каждом лазерном выстреле оценить среднюю энергию горячих электронов в плазме. Пусть свечение плазмы одновременно регистрируется двумя детекторами, перед которыми находятся различные полосовые фильтры, обладающие функциями пропускания H₁(E) и Н₂(Е). Сигналы с первого и со второго детекторов будут иметь вид:

Измеряя отношение r(T)=S₁/S₂, можно оценить температуру электронов. Основным допущением данной процедуры определения температуры является предположение о спектральной светимости плазмы F(T_e,E). Предполагая, что горячие электроны в плазме имеют максвелловское распределение по энергиям, можно показать, что функция светимости тормозного рентгеновского излучения будет иметь вид:

В наших экспериментах для измерения выхода тормозного рентгеновского излучения используются два ФЭУ-119 со сцинцилляторами Nal(TI), перед которыми размещаются различные полосовые фильтры (фольги из бериллия, алюминия и тантала). Сигнал с ФЭУ поступает на зарядочувствительный усилитель, а затем оцифровывается с помощью восьмиканального АЦП с 11 битным разрешением. Для наблюдения сигнала и расчета средней энергии горячих электронов служит ВП, лицевая панель которого показана на рис. 3. Сигнал, поступающий на различные каналы АЦП, отображается на графике.

Рис. 3 Вид лицевой панели ВП, используемого для измерения выхода рентгеновского излучения из плазмы.

В зависимости от пожеланий пользователя данные могут выводиться выборочно по некоторым каналам. Также одновременно данные могут записываться в файл и передаваться в другой ВП, вычисляющий температуру электронов. В результате пользователь видит не только значение величины выхода рентгеновского излучения, но и значение для средней энергии горячих электронов в плазме в каждом лазерном выстреле и быстро может скорректировать свои измерения.

Г. Измерение спектров электронов и ионов из плазмы.

Плазма является эффективным источником электронов и ионов. Измеряя спектр электронов на некотором расстоянии от плазмы можно получить информацию о распределении электронов в самой плазме. Регистрируя ионы, можно получить информацию о том ионы какой массы и заряда находятся в плазме, какова их энергия, а также какова энергия электронов. Поскольку ионы ускоряются квазистатическим электрическим полем на границе плазма-вакуум между электронами ионами, то их спектр во многом определяется спектром электронов в плазме. Для измерения спектров в своих работах мы используем электростатический спектрометр, схема которого приведена на рис. 4а. Частица, например ион, вылетая из плазмы, попадает в область действия электростатического поля спектрометра. При заданном напряжении на обкладках спектрометра до детектора в виде микроканальной пластины (МКП) долетят только ионы с определенной энергией. Проводя измерения при различных напряжениях на обкладках спектрометра можно построить спектр электронов или ионов. Таким образом, необходимо регистрировать ионный или электронный ток в каждом лазерном выстреле. Для этого сигнал с МКП поступает на плату сбора данных компании «Руднев-Шиляев» ЛА-н10М8-100РС1. Для отображения данных используется ВП, разработанный в среде LabVIEW. Данный ВП (см. рис. 46) позволяет регулировать все стандартные настройки осциллографа, в частности, устанавливать развертку по времени, задавать частоту оцифровки сигнала, выбирать источник сигнала для синхронизации и задавать уровень синхронизации. Пользователь может также все зарегистрированные токи автоматически записывать в файл, либо сохранить понравившийся ток в ручном режиме.

(а)

(б)

Рис. 4 (а) - Схема измерения ионных токов из плазмы: 1 - фемтосекундный лазерный импульс, 2 - наносекундный чистящий лазерный импульс, 3 - мишень (кристаллический кремний или вольфрам), 4 - электростатический масс-спектрометр, 5 - микроканальная пластина ВЭУ-7, 6 - диафрагма, 7 - рентгеновские детекторы на базе сцинтиллятора Nal(TI) и ФЭУ-119, 8 - полосовые рентгеновские фильтры (Al, Be), (б) - Лицевая панель ВП, работающего с платой сбора данных «Руднев-Шиляев» ЛА-н10М8-100РС1.

Д. Измерение спектральных характеристик излучения из плазмы.

Для диагностики плазмы можно также проводить измерения интенсивности излучения на гармониках кратных основной частоте излучения. Кроме того, существуют задачи связанные с исследованием изменения спектра при распространении лазерного импульса. Например, задача самокомпрессии лазерного импульса при прохождении его в среде. Для измерения спектра излучения мы используем волоконный спектрометр производства SOLAR TIl SL 40-2-3648USB, который позволяет регистрировать излучение в диапазоне длин волн от 250 до 1100 нм. Пример лицевой панели ВП, работающего с данным спектрометром, показан на рис. 56. Аналогично ранее рассмотренным ВП, для пользователя кроме просмотра спектров излучения в реальном масштабе времени существует возможность записи спектра в файл в ручном или автоматическом режиме.

(а)

(б)

Рис. 5 (а) - внешний вид волоконного спектрометра, используемого при измерениях, (б) - вид лицевой панели ВП, используемого при измерениях спектра излучения.

Таким образом, с помощью технологий доступных в среде программирования LabVIEW создан комплекс виртуальных приборов, позволяющих проводить как диагностику лазерного пучка на этапе подготовки к эксперименту, так и диагностику плазмы в каждом лазерном выстреле в течение всего эксперимента.