Взаимодействие плазменных фронтов  при оптическом пробое газа

Взаимодействие плазменных фронтов при оптическом пробое газа

Букин О.А., Ильин А.А., Павлов А.Н., Нагорный И.Г. (ngrn@mail.ru), Салюк П.А.

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева,

Владивосток, Россия

В статье представлены некоторые результаты экспериментальных исследований динамики движения фронтов лазерной плазмы, генерируемой импульсом сложной временной формы при оптическом пробое в нормальной атмосфере. На основе измеренных скоростей разлета лазерного факела определены механизмы волн поглощения лазерного излучения. С учетом полученных данных проведены исследования взаимодействия встречных плазменных фронтов в зависимости от условий фокусировки.

1. Введение

Исследование взаимодействия плазменных фронтов, генерируемых в областях лазерного пробоя представляет интерес со многих точек зрения. Прежде всего, это один из методов разогрева лазерной плазмы [1], кроме этого, использование двух и многоимпульсного возбуждения плазмы на поверхности конденсированных сред, позволяет значительно повысить чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии (ЛИС). Такое повышение чувствительности метода происходит за счет достижения оптимальных условий возбуждения эмиссионных спектров элементов, присутствующих в области возбуждения, на фоне непрерывного излучения лазерной плазмы в зоне взаимодействия плазменных фронтов [2,3]. В данной работе взаимодействие плазменных фронтов исследовалось в нормальной атмосфере. Известно, что пробой в нормальной атмосфере наносекундными лазерными импульсами приводит к формированию сверхзвуковой волны поглощения лазерного излучения (ВПЛИ), которая определяет основные термодинамические параметры лазерной плазмы [4]. Относительно малое число работ описывает взаимодействие волн поглощения, генерируемых импульсами сложной временной формы в газе [5,6]. В данной работе представлены предварительные результаты исследований механизмов ВПЛИ и параметров областей взаимодействия плазменных фронтов при двухимпульсном возбуждении плазмы в нормальной атмосфере.

2. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки приведена на рис.1. Два лазерных импульса с длиной волны 532 и 1064 нм, с помощью системы призм и зеркал 1, 2, 3, 4 направлялись навстречу друг другу и фокусировались в атмосфере линзами 5 и 6, фокусные расстояния которых 15 мм. Микровинт 7 позволял плавно изменять расстояние между точками фокусировки лазерных импульсов.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Для возбуждения оптического пробоя применялся лазер "Brilliant B" производства фирмы "Quantel" (Франция). Параметры лазера приведены в табл. 1 (значения плотности мощности сфокусированного излучения приведено для фокуса 15 мм). Лазерный импульс состоял из двух частей, малого предварительного импульса, и второго основного, временной интервал между импульсами составлял 15 нс (см. рис.2).

Таблица 1. Параметры лазера "Brilliant B".

Длина волны излучения, нм 1064 532

Длительность одиночного импульса (по полувысоте), нс 5 4

Энергия в импульсе, мДж 360 180

Плотность мощности излучения предымпульса, Вт/см2 1,4-Ю11 8,5-1010

Плотность мощности излучения основного импульса, Вт/см2 2,7-Ю11 1,7-Ю11

Регистрация динамики плазменного фронта осуществлялась с использованием многоканального оптического анализатора спектров Flame Vision PRO System, состоящего из монохроматора SPECTRA-PRO фирмы Acton Research Corporation и оптического усилителя яркости DiCAM-PRO фирмы PCO CCD IMAGING, работающего в режиме цифровой камеры с минимальным временем экспозиция 3 нс.

1.2 т-

0.В

S

о В

р

о

0.4

nr. . , , , , , , .........

О fe 10 Щ 20 25 sjQ 35 jit Щ, 50

Т,нс

Рис. 2. Временная форма лазерного импульса.

3. Механизмы волн поглощения.

Для определения скоростей движения и режимов распространения плазменных фронтов в отсутствии их взаимодействия, были проведены предварительные эксперименты по возбуждению оптического пробоя излучением с длинами волн 532 и 1064 нм. Динамика движения лазерной плазмы исследовалась с помощью техники r,t-диаграмм [7], где t - это время прихода плазменного фронта на расстояние r от центра пробоя. Основные результаты этих экспериментов представлены на рисунках 3,4. Пробой воздуха наблюдается через 1-2 нс от начала лазерного импульса, исследование динамики плазменных фронтов начинается с 3-ей нс, т.к. это минимальное время экспозиции анализатора спектров «Flame Vision Pro System». В эксперименте наблюдалось движение плазменного фронта как в направлении распространения лазерного излучения - по лучу, так и противоположном направлении - навстречу лучу. Каждая точка на рисунках 2,3 получена усреднением по 10 экспозициям. Чтобы не загромождать рис. 3 планками погрешностей измерений, последние были нанесены для экспериментов, где наблюдались максимальные ошибки измерений. Отсутствие r.t-диаграмм динамики пробоя излучением 1064 нм в направлении по лучу, объясняется тем, что движение фронта плазмы в данном направлении наблюдается только в течение первых 4 наносекунд (с 3-ей по 6-ую) со средней скоростью 42 км/с для пробоя предымпульсом и со скоростью 44 км/с для пробоя основным импульсом.

Приступим к обсуждению полученных результатов. Наблюдаются некоторые различия в динамики развития плазменных фронтов, образованных при пробое воздуха излучением с длинами волн 532 и 1064 нм.

Рис.3. ^-диаграммы движения плазменного фронта навстречу лучу. а - 532 нм, б -1064 нм. ♦- пробой предымпульсом,  - пробой основным импульсом, отсчет времени ведется от начала каждого пробоя.

Рис. 4. ^-диаграммы динамики плазменного фронта по лучу для 532 нм. а - пробой предымпульсом, б - пробой основным импульсом. Я2 - достоверность аппроксимации.

Так к 3-ей нс фронт плазмы регистрируется на расстоянии 0,47 мм для случая 532 нм, и 0,21 мм для случая 1064, т.е. наблюдаемые скорости 157 км/с и 71 км/с соответственно. Известно [8], что при короткой фокусировке наиболее вероятный механизм ВПЛИ - светодетонационная волна (СДВ). В работе [8] приведена зависимость скорости волны световой детонации от интенсивности лазерного излучения, которая выглядит следующим образом:

В

, 1/3

2(у -1)I Р

где В - скорость движения фронта, у - показатель адиабаты, I - интенсивность лазерного излучения, необходимая для подержания режима световой детонации, р - плотность газа перед фронтом световой детонации. Используя полученные скорости и значения у = 1,3, р = 1,3 кг/м3, получаем значения интенсивностей 3,6-Ю11 и 3,4-1010 Вт/см2 соответственно.

Отсюда видно, что только для случая 1064 нм наблюдаемый механизм ВПЛИ до 3-ей нс возможно отождествить с волной световой детонации, а для случая 532 нм наблюдаемый механизм ВПЛИ не является светодетонационным, т.к. необходимая для СДВ плотность мощности превосходит плотность мощности предымпульса лазерного излучения (см. табл. 1). Отметим, что время формирования ударной волны в воздухе при скоростях разлета плазмы порядка 100-1000 км/с составляет величину порядка 10-10 с [9].

Исходя из результатов работ [4,8,10,11] можно прийти к выводу, что в случая с 532 нм механизм ВПЛИ обусловлен быстрой волной ионизации (БВИ). Действительно, судя по фотографиям развития плазменного факела (рис. 5) перед фронтом плазмы регистрируется интенсивная предыонизация воздуха ультрафиолетовым (УФ) излучением плазмы, похожая картина движения плазменного фронта зарегистрирована для случая БВИ в работе [11]. Предыонизация воздуха наблюдается на следующих временных интервалах при пробое предымпульсом: для случая 532 нм - с 3-ей по 8-ую нс; для случая 1064 нм - с 5-ой по 10-ую нс. При пробое основным импульсом также регистрируется предыонизация УФ излучением (рис. 5), но для данных условий эксперимента должна быть характерна самофокусировка лазерного излучения в плазме, что согласно [8] приведет к смене ВПЛИ на волну пробоя, т.е. данный вопрос требует детального изучения.

Рис. 5. Снимки лазерной плазмы: а - 1064 нм, 5 нс после пробоя предымпульсом ; б - 532 нм , 3 нс после пробоя предымпульсом; в - 1064, 4 нс после пробоя основным импульсом, г - 532 нм, 4 нс после пробоя основным импульсом. Пространственные масштабы на снимках разные. Стрелками указана предыонизация воздуха УФ излучением плазмы.

Отметим, что при максимуме интенсивности лазерного излучения наблюдаются максимальные скорости БВИ, они соответствуют излому на ^¿-диаграммах (рис. 4); для излучения 532 нм максимальные скорости 300 и 240 км/с, для пробоя предымпульсом и основным импульсом соответственно; для излучения 1064 нм максимальные скорости 266 км/с для пробоя предымпульсом и 186 км/с при пробое основным импульсом.

Таким образом, в направлении навстречу лазерному излучению возможны три режима ВПЛИ световая детонация, быстрая волна ионизации и волна пробоя, максимальные скорости БВИ соответствуют максимуму интенсивности лазерного излучения. Зарегистрированы следующие времена формирования БВИ: 3 нс для случая 532 нм и 5 нс для случая 1064 нм. Данные величины согласуются с результатом работы [12].

Д^-диаграммы движения плазмы в направлении лазерного луча для случая 532 нм представлены на рис.4. Экспериментальные точки хорошо аппроксимируются зависимостью вида г~{)Л. Согласно работе [7] такой закон распространения характерен для волны световой детонации, к тому же на моментальных снимках не наблюдается фотоионизации воздуха УФ излучением перед фронтом СДВ (рис. 5). Средние скорости для данного режима возбуждения составляют величину порядка 40 км/с, что совпадает с со скоростями движения плазменного фронта по лучу для случая 1064нм. Таким образом, в направлении распространения лазерного излучения плазма движется в режиме СДВ.

4. Взаимодействие плазменных фронтов.

Исследование взаимодействия плазменных фронтов проводилось по схеме представленной на рис.1. Наблюдалось взаимодействие двух лазерных фронтов, возбуждаемых двумя лазерными импульсами с различными длинами волн (532 нм и 1064 нм) в зависимости от расстояния между точками фокусировки лазерных пучков. Первоначально расстояние устанавливалось таким, чтобы взаимодействия плазменных фронтов визуально не наблюдалось, что соответсвует расстоянию 2 мм между точками фокусировки. Затем расстояние между точками уменьшалось дискретно на 0,2 мм, путем смещения линзы, фокусирующей вторую гармонику излучения. Линза, фокусирующая основное излучение оставалась неподвижной. Взаимодействие передними фронтами (каждый плазменный фронт распространяется по направлению своего луча) наблюдалось до совпадения фокусов. При дальнейшем перемещении линзы (еще на 4 мм от точки совпадения) наблюдалось взаимодействие задних фронтов (распространяющихся

навстречу лазерному излучению). Всего было измерено 30 серий для различных расстояний между фокусами. В каждой серии проводилась запись изображения плазменных фронтов в стробе 3 нс, с задержкой относительно начала лазерного импульса от 1 нс до 200 нс, а так же интегральной светимости в стробе 1 мкс.

Был проведен анализ интегральной светимости взаимодействующей плазмы в зависимости от расстояния между фокальными точками. Одна из полученных зависимостей приведена на рис.6.

Рис.6 Интегральная светимость лазерной плазмы в зависимости от расстояния между фокальными точками. Красная линия обозначает суммарное свечение невзаимодействующих плазм.

С целью определения характерных областей взаимодействия лазерных плазм проводилось сравнение реальных, зарегистрированных в эксперименте распределений интенсивности в областях взаимодействия плазменных факелов, и смоделированных распределений, полученных простым сложением двух невзаимодействующих плазм. Так, на рис. 7 приведены примеры такого сравнения. На рис. 7а представлены распределения интенсивностей при взаимодействии передними фронтами (расстояние между фокусами порядка 300 мкм), на фигуре 1 (рис.7а) приведено модельное распределение интенсивности (модель) - верхнее распределение. В нижней части - зарегистрированное в результате эксперимента (задержка относительно начала пробоя 16 нс). Фигуры 2 и 3 (рис. 7а), соответствуют измерениям сделанным на 40 и 75 нс относительно начала лазерного импульса, при том же расстоянии между фокусами. На фигуре 7б показан результат взаимодействия задними фронтами при расстоянии между фокусами порядка 2,5 мм,

соответствующие задержки относительно начала пробоя составляют 24, 40 и 50 нс соответственно.

Отметим три взаимных положения фокусов, при которых было зарегистрировано значительное увеличение свечения области пробоя. Так при взаимодействии плазменных факелов передними фронтами, увеличения максимальной интенсивности относительно модельного доходило до 100% при расстоянии между фокусами 250 мкм. Второе увеличение светимости наблюдалось при совпадении фокусов, в этом случае превышение над модельным доходило до 40%. В третий раз увеличение свечения в области пробоя наблюдалось при взаимодействии плазменных образований задними фронтами, превышение над модельным до 40% при расстоянии между фокусами 2 мм.

<  11:0 задержки 1)|4нс (жетон*« 3 ]«! ^пеи^ТпихО»^Ч Ьш|*а*ТЕи|п[Ь|-67 сернЕЛ ИМ задержки 02Л (лхполнп 3 нс)|н1п*а*Тял1НЬг]

сер(й зацчиьи * (жтожин 3 не) [|шк0№пвф>| 57 |й1т(а1У]ялп[Ь>--1К сери 11Й0 задержки 050 М| (Ж5|]рп11#и 31* 11тнх{аХ'Т|п<Л|)-' 118 |н|п*а№ит(Ь> 128

Рис. 7 Взаимодействие плазменных факелов различные моменты времени, а) - передними фронтами, б) - задними фронтами.

Более детальную информацию относительно структуры областей взаимодействия плазменных факелов и временной зависимости интенсивности взаимодействующих плазм можно получить при анализе 3Б-профилей. Пример таких профилей светимости приведен на рис.8. Вдоль оси Х (масштаб от 0 до 6 мм) приведено расстояния вдоль направления распространения плазменных фронтов. По вертикальной оси приведена относительная

интенсивность областей плазменного факела, находящихся на соответствующих расстояниях вдоль оси взаимодействия. По оси У приведено время задержки в нс относительно начала пробоя. Анализ подобных картин позволяет исследовать более детально пространственно-временную структуру областей взаимодействия плазм.

Рис. 8 Профиль светимости плазменных образований при взаимодействии передними фронтами, а) - профиль зарегистрированный в эксперименте, б) - модельный профиль образованный сложением фотографий двух отдельных не взаимодействующих плазм, в) - разница

между реальным и модельным профилем.

Литература

1. O. Rancu, P. Renaudin, C. Chenais-Popovics et al. Experimental evidence of interpenetration and high ion temperature in colliding plasmas. // Physical Review Letters. - 1995. - vol. 75, № 21. - pp. 3854-3857.

2. О.А. Букин, А.В. Алексеев, А.А. Ильин и др. Использование лазерной искровой спектроскопии с многоимпульсным возбуждением плазмы для мониторинга качества морской воды и состояния фитопланктона. // Оптика атмосферы и океана.- 2003. - Т. 16, № 1.- С. 26-32

3. R. Noll, R. Sattman, V. Sturm, S. Winkelman. Spase- and time-resolved dynamics of plasma generated by laser double pulse interaction with metallic sample // J. Anal. At. Spectrom. - 2004, 19, - P. 419-428

4. И.В. Немчинов. Волны поглощения в газах // Известия академии наук СССР. Сер. физ. - 1982. - т.46, № 6. - С. 1026-1036

5. А.А. Бакеев, Л.И. Николашина, М.Н. Поташкин и др. Структура течений, возникающих при воздействии сдвоенных импульсов СО2-лазера на мишень в воздухе // Квантовая электроника. - 1991. - т. 18, № 6. - С. 704-707

6. О.А. Букин, А.А. Ильин, С.С. Голик и др. Характеристики спектров плазмы у поверхности твердых и жидких мишеней при воздействии лазерным импульсом сложной формы // Журнал прикладной спектроскопии. - 2003. - т. 70, № 4. - C. 531-535.

7. В.П. Агеев, А.И. Барчуков, Ф.В. Бункин и др. Пробой газов вблизи твердых мишеней импульсным излучением С02-лазера // Известия высших учебных заведений. - 1977. - № 11. - С. 35-60.

8. Ю.П. Райзер. Лазерная искра и распространение разрядов. - М.: Наука, 1974. - 308 С.

9. N. Vogel, N. Kochan. Interferometric diagnostic of picosecond laser ablation in air // Applied Surface Science. - 1998. - Vol. 127-129. - P. 928-934.

10. В.И. Фишер. О сверхзвуковых режимах распространения волны ионизации по лазерному лучу // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1983. - т. 53, № 11. - С. 2143-2147.

11. С.В. Захарченко, Л.П. Семенов, Г. А. Синтюрин. Исследование развития плазмы оптического пробоя в воздухе пониженной плотности // Труды института экспериментальной метеорологии. Оптика атмосферы - 1992. - № 23(146). - С. 42-47

12. А.П. Будник, С.В. Захарченко. Исследование формирование сверхдетонационных волн оптического разряда в воздухе // Известия Академии наук СССР, сер. физическая. -1989. - т. 53, № 3. - С. 581-585.