ОПТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ

ОПТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ
ОПТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ
-газоразрядные явления, аналогичные электрическим разрядам в газе, возникающиев воздухе или др. газе под действием мощных световых (лазерных) полей. <До изобретения лазеров изучались и использовались газовые разряды в поляхболее низких частот, чем оптические: в пост. электрич. поле, в ВЧ-, в СВЧ-полях. <Лазерная техника открыла физике газового разряда оптич. диапазон. Различаютдва осн. типа О. р.: 1) лазерная искра - оптич. пробой газа, т. е. бурноенарастание ионизации ранее не ионизированного газа; 2) непрерывный О. р.- поддержание в газе уже имеющегося ионизов. состояния под действием световогоизлучения.
Оптический пробой (ОП). Обнаружение эффектав 1963 [П. Мейкер (P. Maker), Р. Терхун (R. Terhune) и У. Р. Сэвидж (W.R. Savage)] стало возможным благодаря созданию лазера с модулиров. добротностью, <к-рый даёт очень мощный, т. н. гигантский, импульс (длительность 15020-19.jpg30 нс, энергия 1 Дж, пиковая мощность 30 МВт). Когда луч такого рубиновоголазера сфокусировали линзой, в комнатном воздухе в области фокуса вспыхнулаискра и там образовалась плазма, как при электрич. пробое разрядного промежуткамежду электродами. Оптич. пробой происходит, когда интенсивность излучения S[Вт/см 2]или среднеквадратичное электрич. поле световой волны Е =15020-20.jpg превосходятнек-рые пороговые значения (S15020-21.jpg105 МВт/см 2, Е 15020-22.jpg6x 106 В/см, в воздухе). Как показали измерения, видимая вспышка, <свидетельствующая о пробое, появляется, если в области фокуса линзы рождается~1013 электронов. Пороговые величины S п, Е п- важнейшие характеристики ОП, зависящие от рода газа, давления, частотысвета, а также диаметра фокуса, длительности импульса и распределения интенсивностипо сечению. При не чрезмерно высоких давлениях р пороги неуклоннопонижаются с ростом давления, но, начиная с р~ 102 -103 атм, с увеличением р растут (рис. 1). Одноатомныегазы обычно пробиваются легче, чем молекулярные. На частотах, соответствующихвидимой и ИК-областям спектра, пороги понижаются с уменьшением частоты:для неодимового лазера (15020-24.jpg= 1060 нм) пороговые интенсивности (рис. 2) меньше, чем для рубинового(15020-25.jpg 094 нм).

15020-23.jpg

Рис. 1. Зависимость амплитуды пороговыхполей Е п от давления р для пробоя газоврубиновым лазером. Диаметр фокусного пятна 10-2 см, длительностьимпульса по половине мощности 50 нс.

Пороговая интенсивность понижаетсятакже при увеличении радиуса фокусного пятна, т. е. размеров области, подверженнойдействию поля, и в небольшой степени - при увеличении длительности импульса. <ОП происходит в результате развития лавины электронной. Первые (затравочные)электроны вырываются из атомов, молекул, возможно, мельчайших пылинок путём многофотонного фотоэффекта при одноврем. поглощении неск. лазерныхквантов 15020-26.jpg.Нескольких - потому, что потенциалы ионизации атомов значительно больше 15020-27.jpg.В поле световой волны электрон приобретает энергию, ионизует атом; вместоодного энергичного электрона появляются два медленных; потом всё повторяется. <Так происходит размножение электронов.

15020-28.jpg

Рис. 2. Пороговые интенсив-ности для пробояинертных (а) и молекулярных (б) газов. Сплошные линии - неодимовый лазер(15020-29.jpg=1060 нм),фокусное пятно - эллипс с осями (13 Х 3,4)х10~3 см,15020-30.jpg=40нс. Штриховые линии - рубиновый лазер (15020-31.jpg=694нм), оси эллипса - (4,3 X 3,1) х 10-3 см,15020-32.jpg=40нс.

Согласно представлениям классич. теории, <в осциллирующем поле на поступат. движение электрона с энергией 15020-33.jpgнакладываются колебания вдоль вектора Е с энергией порядка 15020-34.jpgПри рассеянии атомом электрон начинает новое поступат. движение с энергией, <в ср. на 15020-35.jpgбольшей, а колебания раскачиваются заново. Если эфф. частота столкновений vm сравнима с круговой частотой излучения 15020-36.jpg,так что электрон не успевает совершить много осцилляции за период междустолкновениями, то колебания раскачиваются не полностью, перекачка энергииот поля к электронам замедляется. С учётом этого обстоятельства энергияхаотич. движения электрона 15020-37.jpgвырастает в 1 с на

15020-38.jpg

Чтобы за короткое время лазерного импульса(10-8 с) родились необходимые для ОП примерно log2(1013)15020-39.jpg40 поколений электронов, скорость набора энергии и определяющее её поле . должны иметь достаточно 15020-40.jpgбольшиезначения, тем более, что нужно ещё возмещать потери энергии электронови, возможно, их исчезновение. Если 15020-41.jpg, т. е . давление относительно невелико (vm15020-42.jpgp )иличастота поля высока, то скорость набора энергии от поля 15020-43.jpgСамо же пороговое поле Е п, при к-ром электрон успеваетнабрать энергию, достаточную, чтобы произвести ионизацию, пропорционально 15020-44.jpgи уменьшается при увеличении р.
Если давление высокое,15020-45.jpg, то 15020-46.jpg а пороговоеполе не зависит от частоты и растёт с ростом р. Ф-ция давления 15020-47.jpgмаксимальна при vm = const p =15020-48.jpg;при таком же примерно условии минимален порог пробоя Е п. Классич. <представления, безоговорочно применимые к СВЧ-излучению и ИК-излучениюСО 2 -лазера (15020-49.jpg=10,6 мкм), качественно объясняют соответствующие пороговые зависимости Е п( р), к-рые очень похожи на зависимости Е п( р )(рис.1) для рубинового лазера (15020-50.jpg= 694 нм). Только в случаях СВЧ- и СО 2 лазера минимумы лежатпри более низких давлениях, ибо 15020-51.jpg,и сами пробивающие поля 15020-52.jpgменьше. А на оптич. частотах для пробоя требуются гораздо более высокиеполя и минимум пробоя Е п сдвигается в сторонувысоких давлений в сотни атмосфер.
При реально выполняющемся условии 15020-53.jpgф-лу ( *) можно приближённо применять и к излучениям рубинового и неодимовоголазеров (15020-54.jpg =694 и 1060 нм), хотя их 15020-55.jpg= 1.78 и 1,17 эВ 15020-56.jpgВ этом случае ф-лу следует трактовать статистически: если, напр.,15020-57.jpg,то в 99 столкновениях электрон не обменивается энергией с полем, а в сотомприобретает целый квант 15020-58.jpg.Строгие расчёты электронной лавины и порогов пробоя, основанные на решениикинетич. ур-ния для электронного спектра, дают удовлетворит. количеств. <согласие с измерениями.
При не слишком высоких давлениях, когда 15020-59.jpg15020-60.jpgклассич. закон 15020-61.jpgхорошо выполняется в широком диапазоне оптич. частот, вплоть до смыканияс СВЧ. Точки, соответствующие пробою воздуха излучениями разл. лазеров, <группируются около классич. прямой 15020-62.jpg (рис. 3).

15020-63.jpg

Рис. 3. Пороги пробоя воздуха при атмосферномдавлении излучениями разных лазеров. Штриховая линия - классический закон 15020-64.jpg

В УФ-диапазоне из-за квантовых эффектовпорог ОП снижается по сравнению с законом 15020-65.jpg
Порог пробоя воздуха при атм. давленииизлучением СО 2 -лазера, Sn15020-66.jpg(1 - 2) х 108 Вт/см 2, определяется присутствием аэрозольныхчастиц, нагрев и испарение к-рых способствуют появлению затравочных электронов(кванты СО 2 -лазера 15020-67.jpg= 0,124 эВ слишком малы для многоквантового фотоэффекта). В очищенном воздухепорог повышается до 3 х 109 Вт/см 2. В сильно разреженныхгазах, р 15020-68.jpg1мм рт. ст., или в случае чрезвычайно коротких, пикосекундных лазерных импульсовлавина не успевает развиться и наблюдаемая ионизация обязана исключительномногоквантовому фотоэффекту.
Фокусируя мощный лазерный импульс линзойс фокусным расстоянием ~ 10 м, получают т. н. длинную искру - плазменныйканал, не сплошной, но длиной до десятков метров (лазерная искра от короткофокуснойлинзы имеет размеры 0,1 - 1 см). Пробой газа в постоянном или СВЧ-полесущественно облегчается в присутствии интенсивного лазерного излучения. <Это позволило создать хорошие разрядники с лазерным поджигом, направленныйпробой, при к-ром обычный искровой разряд развивается вдоль светового каналаи не обязательно ориентирован по вектору пост. поля. ОП сильно облегчается, <если происходит вблизи поверхности твёрдых тел; при этом пороговая интенсивностьможет быть на неск. порядков ниже - т. н. низкопороговый пробой.
Непрерывный оптический разряд (НОР) -стационарное поддержание плотной равновесной плазмы излучением лазера непрерывногодействия (напр., СО 2 -лазера); был предсказан теоретически иполучен на опыте в 1970. По сравнению с традпц. способами поддержания плазмыс Т~ 10 000 К при помощи дугового, индукционного, СВЧ-разрядовдля подвода энергий к плазме оптич. способом не требуется конструктивныхэлементов: электродов, индуктора, волновода. Световая энергия свободнопередаётся на расстояние световым лучом. Это открывает возможность зажиганияплазмы на расстоянии от лазера и в любых, даже труднодоступных местах. <Если продувать холодный газ через горящий НОР, подобно тому, как это делаетсяв дуговых и прочих генераторах непрерывной плазменной струи - плазмотронах, получается оптический плазмотрон (рис. 4). Темп-pa плазмы в НОР, какправило, выше, чем в дуговом разряде, - ок. 20 000 К. В опыте НОР поджигаютв камере, наполненной к.-л. газом, или в комнатном воздухе, фокусируя лазерныйлуч линзой или зеркалом. Плазма располагается в районе фокуса, несколькосдвигаясь от фокуса по направлению к источнику до того сечения световогоканала, где интенсивности излучения ещё хватает для компенсации потерьэнергии из плазмы, без чего нет стационарного горения.

15020-69.jpg

Рис.4. Принципиальная схема оптическогоплазмо-трона: 1 - контуры светового канала; 2 - линза; 3- плазма; F- точка фокуса; и - газовый поток; Р О- лазерное излучение.

Чтобы зажечь НОР, необходимо создать начальный, <поглощающий лазерное излучение очаг плазмы. Проще всего ввести в областьфокуса проволоку и убрать её после зажигания разряда. Оценить лазернуюмощность Р, необходимую для поддержания НОР, можно из условия баланса тепло-проводностноговытекания энергии из небольшой плазменной сферы радиуса r и поглощенияею лазерной энергии. Если, как это обычно бывает, область разряда не сильнопоглощает лазерное излучение,15020-70.jpg, где 15020-71.jpg( Т)- коэф. поглощения при темп-ре плазмы Т, то

15020-72.jpg

Здесь 15020-73.jpg- потенциал потока тепла,15020-74.jpg- коэф. теплопроводности. Ф-ция 15020-75.jpg- монотонно растущая, но 15020-76.jpgпри пост. давлении имеет максимум при темп-ре, соответствующей почти полнойоднократной ионизации. Такая примерно темп-pa Т т 15020-77.jpg20000 К и устанавливается в НОР, и ей соответствует минимально необходимаяпороговая лазерная мощность Р П. В воздухе при р=1 атм НОР устанавливается при мощности излучения СО 2 -лазера Р п= 2 кВт; темп-ра плазмы при этом Т т 15020-78.jpg17000 К,15020-79.jpg0,3кВт/см,15020-80.jpg0,8 см -1. Опыт хорошо подтверждает эти оценки. Коэф. поглощения 15020-81.jpgвозрастает с увеличением давления (~p1,5 - р2),а пороговая мощность соответственно уменьшается с ростом давления; Р п такжеуменьшается в случае тяжёлых одноатомных газов, обладающих плохой теплопроводностью(15020-82.jpg меньше).Так, при поддержании НОР в ксеноне при р 15020-83.jpg3- 4 атм требуется всего Р п 15020-84.jpg150 Вт (рис. 5, а). При р 15020-85.jpg10атм падение Р п прекращается, т. к. на смену теплопроводностнымпотерям энергии постепенно приходят лучистые, к-рые растут с p,как и 15020-86.jpg
На рис. 5 (a, б )нижнимиветвями кривых показаны измеренные на опыте пороговые мощности Р п.Если лазерная мощность Р превышает Р п, то плазмасильнее сдвигается навстречу лучу и увеличивается в размеpax, но темп-paеё не возрастает.
15020-87.jpg

Рис. 5. Пороговые мощности, необходимыедля поддержания непрерывного оптического разряда в атомарных (а) и молекулярных(б) газах (нижние ветви кривых). Верхними ветвями кривых показаны верхниепределы существования НОР.

Наблюдается и верхний предел существованияНОР по мощности и по давлению. Его существование связано с возрастаниемроли лучистых потерь при больших темп-pax и размерах плазмы и вызваннойэтим неустойчивостью состояний, лежащих выше и правее верхних кривых. Однакопри фокусировании лазерного луча короткофокусным зеркалом верхнего пределанет - НОР наблюдается и при р 15020-88.jpg100атм.
Спектроскопич. методами измерялись темп-рыв плазме НОР и их пространств. распределения. На рис. 6 показано пространств. <распределение темп-ры (изотермы) в НОР в воздухе атм. давления. Луч СО 2 -лазераидёт справа налево; мощность лазера 6 кВт. Контур сходящегося световогоканала показан пунктиром. В Аr при р =2 атм достигалась темп-paTmax15020-89.jpg18000К, в Хе при р =2 атм - 14 000 К, в Н 2 при р =6атм - 21000 К, в N2 при р =2 атм - 22 000 К, в воздухепри р =1 атм - 17 000 К. При заметном превышении Р над Р п в плазме НОР поглощается около половины лазерной энергии, остальная проходитнасквозь.
15020-90.jpg

Рис. 6. Изотермы пространственного распределениятемпературы в НОР (внизу) и распределение Т на оси луча (вверху).

Благодаря своей высокой темп-ре и хорошейстабильности НОР может служить непрерывным источником излучения очень большойкалиброванной яркости. НОР часто возникает около твёрдых поверхностей, <подвергаемых воздействию достаточно мощного лазерного излучения: при лазернойсварке, резке и др. Он оказывает неблагоприятное влияние на лазерную технологию, <экранируя обрабатываемый материал от луча. Во избежание этих эффектов, <а также и для др. целей целесообразно обдувать обрабатываемое место потокомгаза (НОР "сдувается").

Распространение О. р. Как и др. <электрич. разрядам в газах, О. р. свойственна тенденция распространяться:плазменный фронт разряда может двигаться навстречу лазерному излучению. <Эффекты распространения возникают вследствие ионизации газа перед фронтомплазмы. Когда холодный газ перед фронтом нагревается, ионизуется, он приобретаетспособность поглощать лазерный луч. Фронт разряда переходит на новое место, <новая масса газа включается в разряд. Можно наблюдать и обращённую картинураспространения, характерную для оптич. плазмотрона, когда плазменное образованиелокализовано в пространстве (в районе фокуса липзы, где интенсивность излучениямаксимальна), а холодный газ продувается через разряд.
Существует неск. механизмов распространенияО. р.
1) Нагрев и ионизация газа перед плазменнымфронтом сильной ударной волной, вызванной интенсивным энерговыделением,- т. н. световая детонация. Она обычно наблюдается сразу после пробоя газагигантским лазерным импульсом и до его окончания. Фронт световой детонациираспространяется навстречу лучу со скоростями ~100 км/с, и газ за ним нагреваетсядо темп-ры 105 - 106 К. Зарегистрированная по измерениюинтенсивности рентг. излучения наиб. темп-pa в такой лазерной искре составила3 х 106 К (при пиковой мощности лазерного импульса в неск. ГВт).После окончания гигантского лазерного импульса от места энерговыделенияраспространяется квазисферич. светящаяся взрывная волна. Эффект являетсяминиатюрной копией ядерного взрыва в атмосфере.
2) Наблюдается медленное распространениеплазменного фронта в лазерном луче со скоростями ~10 - 40 м/с, обязанноетеплопроводностному прогреванию газа перед фронтом. Этот механизм действуетпреим. и в оптич. плазмотроне, где для непрерывности горения применяетсянепрерывный СО 2 -лазер. В оптич. плазмотроне достигается на 1000- 3000 К более высокая темп-pa, чем в НОР в неподвижном газе. Продувкойвоздуха снимаются верх. ограничения по мощности лазера, а также по фокусномурасстоянию линзы f (в неподвижном воздухе в слабофокусированномлуче, при f15020-91.jpg20 см, НОР не горит).
3) Наблюдаются быстрые волны ионизациив лазерном луче, распространяющиеся со скоростями 10 - 100 км/с, но безударной волны. Они вызываются ионизацией газа перед фронтом тепловым излучениемплазмы (радиац. волны).
4) Наблюдались также волны пробоя.

Лит.: Островская Г. В., ЗайдельА. Н., Лазерная искра в газах, "УФН", 1973,т. 111, с. 579; Райзер Ю. П.,Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974; его же, Оптическиеразряды, "УФН", 1980, т. 132, с. 549.

Ю. П. Райзер.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Поможем решить контрольную работу

Полезное


Смотреть что такое "ОПТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ" в других словарях:

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В — ГАЗАХ прохождение электрич. тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрич. поля. Термин разряд возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый… …   Физическая энциклопедия

  • Оптический разряд — Оптический разряд  вид высокочастотного разряда в газах, наблюдающегося для частот излучения, лежащих в оптическом диапазоне. Обычно оптические разряды инициируются мощным лазерным излучением. Различают два основных вида оптических разрядов …   Википедия

  • НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА — раздел оптики, охватывающий исследования распространения мощных световых пучков в тв. телах, жидкостях и газах и их вз ствия с в вом. Сильное световое поле изменяет оптич. хар ки среды (показатель преломления, коэфф. поглощения), к рые становятся …   Физическая энциклопедия

  • ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ — возникновение звуковых (акустических) волн в средах под действием оптического излучения. Ф. я. могут быть связаны с обратным пьезоэлектрич. эффектом в кристаллах и пьезокерамике (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ, ФОТОУПРУГОСТЬ), электрострикционным эффектом,… …   Физическая энциклопедия

  • ЛАЗЕРНАЯ ИСКРА — то же, что (см. СВЕТОВОЙ ПРОБОЙ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. ЛАЗЕРНАЯ ИСКРА …   Физическая энциклопедия

  • ЛАВИНА ЭЛЕКТРОННАЯ — неуклонно нарастающий процесс размножения электронов в результате ионизации атомов и молекул, как правило, электронным ударом; является главнейшим элементом электрич. пробоя газов. В большинстве случаев Л. э. развивается в электрич. или эл. магн …   Физическая энциклопедия

  • НЕПРЕРЫВНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ РАЗРЯД — см. в ст. Оптические разряды. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 …   Физическая энциклопедия

  • НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА — Содержание: 1. Общие свойства Н. п. 2. Способы создания Н. п. 3. Процессы в Н. п. 4. Неустойчивости и структуры Н. п. 5. Применение Н. п. 6. Н. п. земной атмосферы и Солнца.1. Общие свойства Н. п. Низкотемпературной наз. плазму, у к ройср.… …   Физическая энциклопедия

  • ПРОБОЙ ГАЗА — нестационарный процесс интенсивной ионизации газа под действием внеш. пост. или пе рем. электрич. поля при достижении им нек рой кри тич. (пороговой) величины. В этом случае затравочный свободный электрон под действием поля набирает энергию,… …   Физическая энциклопедия

  • ТЕЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ — направленные квазинейтральные потоки тяжёлой (ионной) компоненты плазмы. (Скорости электронов и ионов могут сильно различаться, но квазинейтральность сохраняется.) T. п. являются общим свойством практически всех плазменных систем, хотя факторы,… …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»