Лазерный мир

С.А. Шишигин, С.М. Слободян // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2008

Представлены результаты анализа процесса взаимодействия лазерного излучения с плазмой оптического пробоя воздуха, приводящего к образованию рентгеновской и электронной радиации, ответственной за образование газового ореола NO2 вокруг очагов пробоя.

Введение

Взаимодействие мощного излучения с плазмой оптического пробоя среды приводит к различным нелинейным процессам. Они проявляются в аномально сильном поглощении энергии лазерного излучения, появлении ускоренных частиц и не теплового радиационного излучения, турбулентности плазмы [1-7].

В воздухе, окружающем плазменный очаг, под воздействием радиационного излучения происходит ионизация молекул, возникают химические реакции, которые приводят к образованию газовых ореолов высокой концентрации окислов азота, озона, ионов кислорода.

Развитие метода лазерного спектрального анализа позволило выявить закономерности динамики разлета плазмы и взаимодействия ее с окружающей средой, рассмотреть процессы рекомбинации плазмы. Однако, до сих пор не выяснена полная картина явлений, происходящих при оптическом пробое в воздухе в широком диапазоне изменения плотности мощности лазерного излучения.

В настоящей работе представлен анализ особенностей взаимодействия лазерного излучения с плазмой оптического пробоя воздуха, приводящего к образованию рентгеновской и электронной радиации, рассмотрены механизмы возникновения некоторых оптических явлений, наблюдаемых при оптическом пробое в воздухе.

1. Взаимодействие сильных

электромагнитных полей с плазмой

Нерегулярности пространственной плотности и других параметров плазмы регистрируются в экспериментах по облучению мишеней лазером при изменении плотности мощности в диапазоне #0А2~1014…1017 Вт/см2.мкм2 (д0 — плотность мощности падающего лазерного излучения, Я — длина волны) начиная с 1976 г. Поперечные неустойчивости пространственной структуры плазменного образования свидетельствуют о многокомпонентных сложных процессах, протекающих при формировании короны лазерных мишеней. Ряд явлений, сопровождающих возникновение и жизнь плазменного образования, объясняется генерацией сильных магнитных полей, быстрых электронов, жесткого рентгеновского излучения [5, 8].

В области плазменного резонанса ограничение напряженности электрического поля происходит из-за поглощения при столкновениях заряженных частиц, образования плазменных волн при трансформации поперечных электромагнитных волн, самопересечения электронных траекторий, релятивистских явлений [9].

Отношение амплитуды внешнего поля Е0 к её максимальному значению в области резонанса Ет (обозначим его символом Я) для лазерной плазмы может достигать значений, равных Я=10-3. Время, за которое амплитуда поля достигает максимального значения, определяется соотношением т»1/Яю0, где а>0 — частота внешнего поля). При этом из пространственной области плазменного резонанса выбрасываются ускоренные частицы с энергиями порядка еЕ0Ь (Ь — характерный размер неоднородности плазмы), (при Ь=10-2 см; Е0=3.107 В/см; е=1,6.10-19 К, энергия равна ~300 кэВ) [10].

Неадиабатичность взаимодействия частиц с полем в резонансе при иЕ/иГе>>1 (иЕ — амплитуда скорости колебаний частицы плазмы в переменном поле ю0, иТе — средняя тепловая скорость частиц) приводит к появлению и группированию ускоренных электронов со скоростями вплоть до 2иТе. В случае мощного лазерного воздействия при Я=2.10-3 энергия электронов достигает 60 кэВ при объемной плотности 5.1012 см-3 [10].

Коллективные (параметрические) процессы в плазме сопровождаются также значительным ростом напряжённости электрических полей в пространственной структуре самого плазменного образования.

Произвольная ленгмюровская турбулентность достаточно большой интенсивности приводит к образованию в плазме динамически неустойчивых трёхмерных областей пониженной концентрации электронов — каверн, схлапывающихся за конечное время, в результате чего электроны уносят энергию электромагнитного поля [11].

Исследования резонансного и параметрического взаимодействия для потока излучения с плотностью мощности выше 1010 Вт/см2 СО2-лазера в плотной плазме показали неожиданно высокий коэффициент поглощения мощности излучения и большое значение температуры электронов. При этом наблюдалось возникновение ионов с энергией до 15 кэВ [12, 13].

В монографии [10] приведена сводка экспериментальных данных, полученных разными авторами, по неустойчивостям, возбуждаемым в изотропной и магнитоактивной плазме. Здесь же отмечены полученные в разных экспериментах минимальные пороговые значения отношения (иЕ/иТе)пор, превышение которых приводит к появлению комбинационных частот, резкому нарастания поглощения волн и нагреву плазмы. Пороги нелинейных процессов при наличии магнитного поля и без него, как правило, соответствуют отношениям иЕ/иТ=0,1…0,01.

Пороговое значение светового потока, необходимого для развития распадной неустойчивости в однородной плазме, равно 1012 Вт/см2, если плазма образуется излучением №-лазера с длиной волны 1,06 мкм, и 1010 Вт/см2, если на плазму действует излучение СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм [4].

Поперечному сечению пучков мощного лазерного излучения свойственно наличие значительных неоднородностей пространственного распределения плотности энергии с резкими выбросами и провалами, отличающимися от среднего уровня на 2-3 порядка и изменяющимися как в течение длительности импульса излучения, так и от импульса к импульсу [14]. Данное обстоятельство позволяет предполагать о реальности локального превышения пороговых значений плотности мощности лазерного излучения для возникновения процессов параметрического взаимодействия с плазмой оптического пробоя воздуха в экспериментальных работах, результаты которых приведены [15].

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/svechenie-ochagov-opticheskogo-proboya-vozduha/pdf