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.

* 7

Т1

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".

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.

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.

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 г-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.