Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
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 30 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 = превосходятнек-рые пороговые значения (S10⁵ МВт/см ², Е 6x 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 (= 1060 нм) пороговые интенсивности (рис. 2) меньше, чем для рубинового( 094 нм).

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 .Нескольких - потому, что потенциалы ионизации атомов значительно больше .В поле световой волны электрон приобретает энергию, ионизует атом; вместоодного энергичного электрона появляются два медленных; потом всё повторяется. <Так происходит размножение электронов.

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

Согласно представлениям классич. теории, <в осциллирующем поле на поступат. движение электрона с энергией накладываются колебания вдоль вектора Е с энергией порядка При рассеянии атомом электрон начинает новое поступат. движение с энергией, <в ср. на большей, а колебания раскачиваются заново. Если эфф. частота столкновений v_m сравнима с круговой частотой излучения ,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 вырастает в 1 с на

Чтобы за короткое время лазерного импульса(10^-8 с) родились необходимые для ОП примерно log₂(10¹³)40 поколений электронов, скорость набора энергии и определяющее её поле . должны иметь достаточно большиезначения, тем более, что нужно ещё возмещать потери энергии электронови, возможно, их исчезновение. Если , т. е . давление относительно невелико (v_mp )иличастота поля высока, то скорость набора энергии от поля Само же пороговое поле Е _п, при к-ром электрон успеваетнабрать энергию, достаточную, чтобы произвести ионизацию, пропорционально и уменьшается при увеличении р.

Если давление высокое,, то а пороговоеполе не зависит от частоты и растёт с ростом р. Ф-ция давления максимальна при v_m = const p =;при таком же примерно условии минимален порог пробоя Е _п. Классич. <представления, безоговорочно применимые к СВЧ-излучению и ИК-излучениюСО ₂ -лазера (=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 (= 694 нм). Только в случаях СВЧ- и СО ₂ лазера минимумы лежатпри более низких давлениях, ибо ,и сами пробивающие поля меньше. 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 ф-лу ( *) можно приближённо применять и к излучениям рубинового и неодимовоголазеров ( =694 и 1060 нм), хотя их = 1.78 и 1,17 эВ В этом случае ф-лу следует трактовать статистически: если, напр.,,то в 99 столкновениях электрон не обменивается энергией с полем, а в сотомприобретает целый квант .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 классич. закон хорошо выполняется в широком диапазоне оптич. частот, вплоть до смыканияс СВЧ. Точки, соответствующие пробою воздуха излучениями разл. лазеров, <группируются около классич. прямой (рис. 3).

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

В УФ-диапазоне из-за квантовых эффектовпорог ОП снижается по сравнению с законом

Порог пробоя воздуха при атм. давленииизлучением СО ₂ -лазера, S_n(1 - 2) х 10⁸ Вт/см ², определяется присутствием аэрозольныхчастиц, нагрев и испарение к-рых способствуют появлению затравочных электронов(кванты СО ₂ -лазера = 0,124 эВ слишком малы для многоквантового фотоэффекта). В очищенном воздухепорог повышается до 3 х 10⁹ Вт/см ². В сильно разреженныхгазах, р 1мм 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.

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,, где ( Т)- коэф. поглощения при темп-ре плазмы Т, то

Здесь - потенциал потока тепла,- коэф. теплопроводности. Ф-ция - монотонно растущая, но при пост. давлении имеет максимум при темп-ре, соответствующей почти полнойоднократной ионизации. Такая примерно темп-pa Т _т 20000 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 17000 К,0,3кВт/см,0,8 см ^-1. Опыт хорошо подтверждает эти оценки. Коэф. поглощения возрастает с увеличением давления (~p^1,5 - р²),а пороговая мощность соответственно уменьшается с ростом давления; Р _п такжеуменьшается в случае тяжёлых одноатомных газов, обладающих плохой теплопроводностью( меньше).Так, при поддержании НОР в ксеноне при р 3- 4 атм требуется всего Р _п 150 Вт (рис. 5, а). При р 10атм падение Р _п прекращается, т. к. на смену теплопроводностнымпотерям энергии постепенно приходят лучистые, к-рые растут с p,как и

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.

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 100атм.

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-paT_max18000К, 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.

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 f20 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.