Obszar realizowanych w OPWL prac badawczych dotyczących oddziaływań laser-materia obejmuje cztery przenikające się zakresy tematyczne wymienione poniżej.

I Badania fizyki oddziaływań impulsów lasera wielkiej mocy z materią, w tym procesów generacji ultraszybkich jonów i elektronów

Nieliniowe oddziaływania impulsów laserowych o wielkim natężeniu (gęstości mocy) z różnymi tarczami, w szczególności procesy laserowego przyspieszania materii (plazmy, jonów, elektronów i makrocząstek), są badane eksperymentalnie i teoretycznie przez OPWL w ramach projektów krajowych i europejskich.

W OPWL opracowano i przetestowano oryginalny mechanizm przyspieszania jonów w plazmie laserowej w wyniku działania sił ponderomotorycznych (Skin Layer Ponderomotive Acceleration – SLPA). W metodzie SLPA siły, wzbudzone przez ultrakrótki impuls laserowy o wielkim natężeniu w pobliżu powierzchni o koncentracji krytycznej w ekspandującej plazmie laserowej, przyspieszają strumienie prędkich elektronów i jonów o wielkim natężeniu. Mechanizm ten wszechstronnie analizowano teoretycznie i z zastosowaniem symulacji numerycznych. Eksperymentalnie efekty działania SLPA badano w ramach projektów krajowych i europejskich projektów Laserlab-Europe wykonywanych głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze (Republika Czeska) oraz w Laboratorium LULI, Ecole Polytechnique (Francja).

W Oddziale przygotowano i praktycznie zrealizowano koncepcję oryginalnego układu do bardzo efektywnego przyspieszania makrocząstki lub strumienia jonów z użyciem impulsu laserowego. W stosowanej konwencjonalnej metodzie laserowego przyspieszania materii folia naświetlana laserem jest przekształcana energią impulsu laserowego w makrocząstkę przyspieszaną działaniem siły reakcji w kierunku przeciwnym do kierunku ekspansji plazmy laserowej. Jest to tak zwany efekt rakietowy. W nowej metodzie laserowej akceleracji makrocząstki nazwanej Laser-Induced Cavity Pressure Acceleration (LICPA) ciśnienie plazmy laserowej zatrzymywanej w małej wnęce umieszczonej przed tarczą foliową dodatkowo napędza makrocząstkę poruszającą się w kanale prowadzącym. Przeprowadzone symulacje komputerowe wykazały możliwość przyspieszania makrocząstki w układzie LICPA znacznie efektywnej niż w przypadku stosowania samego „efektu rakietowego”. Metodę tę sprawdzano eksperymentalnie i numerycznie w ramach projektów krajowych i projektów Laserlab-Europe. Eksperymenty wykonywane są głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze z użyciem lasera o dużej energii (do 700 kJ).

Pracownicy OPWL przygotowali dwuwymiarowy model komputerowy do symulacji numerycznych laserowej akceleracji protonów i jonów przy relatywistycznych (>1018 W/cm2)  i ultra-relatywistycznych (≥1023 W/cm2) natężeniach promieniowania laserowego. Takie natężenia promieniowania będą uzyskiwane za pomocą wielkich laserów budowanych jako europejska infrastruktura ELI (Extreme Light Infrastructure) w Republice Czeskiej, na Węgrzech i w Rumunii. Analizowane są różne schematy tych ekstremalnych oddziaływań. W wyniku wykonanych obliczeń numerycznych wykazano, że w wyniku oddziaływania lasera z tarczą przy tak wielkich gęstościach mocy promieniowania laserowego możliwe jest wytworzenie femtosekundowych impulsów prędkich protonów i jonów o energiach powyżej 1 GeV i ekstremalnie wysokich natężeniach nieosiągalnych w akceleratorach konwencjonalnych. Rezultaty tych obliczeń numerycznych posłużą przygotowaniu wspólnych projektów dotyczących badań z użyciem laserów wielkiej mocy uruchamianych w ramach programu ELI.

II Badania procesów fizycznych związanych z optymalizacją wybranych wariantów fuzji laserowej

IFPiLM uczestniczył w realizacji europejskiego projektu HiPER (European High Power Laser Energy Research Facility), obejmującego opracowanie fizycznej koncepcji i projektu technicznego infrastruktury laserowej przeznaczonej do zademonstrowania efektywnej produkcji energii w wyniku fuzji z inercyjnym utrzymaniem plazmy (Inertial Fusion Energy – IFE). W ramach tego projektu w latach 2008-2011 Oddział realizował prace dotyczące optymalizacji wybranych wariantów syntezy laserowej i uczestniczył w przygotowaniu dla przyszłej infrastruktury HiPER programu badań dotyczących różnych innych dziedzin z użyciem tego lasera. Wspólne eksperymenty obejmujące powyższe zagadnienia przeprowadzane były głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze (Republika Czeska), a także w innych dużych europejskich laboratoriach [Współpraca].

Wymieniona powyżej w punkcie I metoda laserowego ponderomotorycznego przyspieszania jonów (SPLA) jest badana także pod kątem jej przydatności do realizacji syntezy laserowej w wersji tzw. szybkiego jonowego zapłonu paliwa termojądrowego DT skomprymowanego sferycznie laserem o dużej energii (ion fast ignition).

Analizowana jest także możliwość wykorzystania wymienionego w punkcie I układu LICPA do realizacji syntezy laserowej z zapłonem inicjowanym uderzeniem makrocząstki (impact fast ignition) w skomprymowane laserem paliwo DT.

Zespoły naukowców w OPWL realizują projekty badawcze dotyczące najnowszej koncepcji syntezy laserowej, w której do zapłonu wstępnie laserowo skomprymowanego paliwa DT wykorzystuje się silną koncentryczną falę uderzeniową (shock ignition). Taka fala inicjująca centralny zapłon termojądrowy generowana jest dodatkowym bardzo krótkim impulsem lasera wielkiej mocy. W tym wariancie cały proces jest przeprowadzany za pomocą jednego, odpowiednio ukształtowanego impulsu laserowego. Prace te realizowane przez OPWL są objęte projektami badawczymi sponsorowanymi głównie przez konsorcjum Laserlab-Europe w laboratoriach europejskich, przede wszystkim w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze. Stosowane są różne diagnostyki przygotowane wcześniej w tym Oddziale, w tym interferometria oraz diagnostyki jonowe i rentgenowskie.

III Badania procesów hydrodynamicznych w ekspandującej plazmie wytwarzanej laserem

W OPWL realizowane są badania właściwości skolimowanych strumieni plazmowych generowanych laserem oraz możliwości ich zastosowań. W eksperymentach wykonywanych głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze badane są oddziaływania takich strumieni z rozrzedzonym gazem. Prace te są realizowane w ramach projektów Laserlab-Europe, a ich wyniki mają odniesienie do fuzji laserowej i mogą służyć do laboratoryjnej symulacji zjawisk astrofizycznych.

W O.B. PALS w Pradze wykonywane są przez zespół z OPWL w ramach projektu Laserlab-Europe pionierskie pomiary spontanicznych pól magnetycznych (SPM) i koncentracji elektronowej w ekspandującej plazmie laserowej. Informacje o strukturze SPM i rozkładach gęstości prądu w plazmie w połączeniu z symulacjami dwuwymiarowymi pozwalają stwierdzić, że za generację SPM odpowiedzialne są szybkie elektrony wytwarzane w wielkiej liczbie w wyniku absorpcji rezonansowej. Głównymi układami diagnostycznymi opracowanymi w OPWL i stosowanymi w eksperymentach w O.B. PALS i w IFPiLM dotyczącymi badań ekspandującej plazmy laserowej są zbudowane w Instytucie: precyzyjna trójkadrowa interferometria laserowa i polaro-interferometria. Powyższe metody są uzupełniane zastosowaniem diagnostyk jonowych i rentgenowskich.

IV Opracowywanie nowych metod i urządzeń do badania plazmy wytwarzanej impulsowo

W roku 2010 OPWL został wyposażony w laser wielkiej mocy (10 TW), sfinansowany z użyciem środków z projektu europejskiego HiPER, środków własnych IFPiLM i wsparcia finansowego z MNiSW [Projekty].

1 lutego 2013 roku utworzono w IFPiLM w OPWL Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy (LLWM) przeznaczone do realizacji badań plazmy laserowej i jej zastosowań (głównie w ramach współpracy europejskiej). Obecnie do tych prac wykorzystywana jest przede wszystkim aparatura zbudowana i zakupiona w latach 2011–2013 w ramach projektu Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego (RPO-WM) pod nazwą „Rozbudowa i modernizacja laboratorium laserów wielkiej mocy”, dofinansowywanego ze środków UE [Projekty]. Zbudowano układy do diagnostyki plazmy laserowej: wielokadrowy polaro-interferometr, dwa jonowe spektrometry Thomsona, spektrometr rentgenowski, szybką kamerę rentgenowską oraz próżniową komorę plazmową z niezbędnym wyposażeniem. Ostatnio opracowano i zastosowano do badań specjalne sondy do badania promieniowania elektromagnetycznego z plazmy laserowej w ramach projektu Narodowego Centrum Nauki HARMONIA realizowanego w OPWL [Projekty]. W LLWM stosowane są też diagnostyki wcześniej opracowane i zbudowane w OPWL, w tym układy do badania jonów i promieniowania X emitowanego z plazmy laserowej.

Do realizacji przygotowanych i planowanych w OPWL projektów badawczych kontynuowane są prace nad nowymi urządzeniami do diagnostyki plazmy laserowej. Aparatura ta będzie wykorzystywana do eksperymentów planowanych w LLWM i do badań przeprowadzanych we współpracy międzynarodowej w dużych europejskich laboratoriach laserowych [Współpraca], takich jak: O.B. PALS w Pradze (Republika Czeska), CELIA w Bordeaux (Francja), ELI-Beamlines w Pradze, ELI-NP w Bukareszcie-Măgurele (Rumunia).

logo EUROfusion logo LaserLab Logo UE
Początek strony