Лазерный мир

Волков К.Н., Булат П.В., Ильина Е.Е. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016

Аннотация

Предмет исследования. Разработана математическая модель оптического пробоя на каплях диэлектрической жидкости при воздействии на них импульсного лазерного излучения. Процесс рассматривается в несколько стадий: нагрев, испарение частицы, формирование парового ореола, ионизация парового ореола. На основе полученной математической модели проведены численные исследования для определения пороговых характеристик лазерного импульса. Основные результаты. Расчетным путем получены распределения давления, плотности и температуры в паровом ореоле частицы. Определено температурное поле около капли жидкости. Обнаружено, что при высоких значениях энергии в газовом пузыре создаются условия для термической ионизации газа и запуска электронной лавины, приводящей к образованию плазмы. За счет объемного тепловыделения капля перегревается и находится в метастабильном состоянии. Плазменное образование практически непрозрачно для излучения, что приводит к резкому росту температуры. В результате этого внутри капли происходит взрыв с образованием ударной волны, распространяющейся наружу. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для оценки работы мощных сканирующих лазеров (лидаров) в условиях наличия в атмосфере капель жидкости и других взвесей. Лазеры могут быть применены в системах пожарной и взрывобезопасной аэрокосмической техники. Сферой применения полученных результатов могут быть также системы лазерного зажигания и инициирования детонации. 

Введение

В работе предлагается разработанная авторами математическая модель оптического пробоя на каплях диэлектрической жидкости при воздействии на них импульсного лазерного излучения. В качестве отдельных стадий процесса рассматриваются нагрев и испарение частицы, формирование парового ореола и его ионизация за счет термической ионизации на фронте ударной волны, распространение ударных волн в окружающем частицу пространстве. Моделирование ударно-волновых процессов в паровом ореоле частицы проводится на основе уравнений нестационарного течения идеального газа. Определяются пороговые характеристики параметров лазерного луча, достаточные для инициирования оптического пробоя на конденсированных включениях. На основе разработанной математической модели и численного метода исследуются процессы, происходящие в капле жидкости.

Широкое применение лазеров в повседневной жизни, в таких устройствах, как приборы оптической связи и навигации, системы мониторинга природных и техногенных сред, обусловливают актуальность исследований физических процессов взаимодействия интенсивного лазерного излучения с дисперсной средой. Для оптических систем на основе лазера, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах, важно иметь представление о характеристиках лазерного луча.

Систематическое изложение вопросов, связанных с оптическим пробоем на конденсированных включениях, приводится в монографиях [1, 2]. Основное внимание уделяется твердым включениям типа корунда, оксида алюминия и другим тугоплавким материалам.

При распространении лазерного излучения в атмосфере неизбежно взаимодействие лазерного излучения не только с твердыми частицами, но и с каплями жидкости, которые способны концентрировать в своем объеме энергию излучения, понижая при этом энергетические пороги разных нелинейных явлений [3]. В таких случаях важно иметь представление о характеристиках лазерного луча, достаточных для инициации оптического пробоя. Данные характеристики представляют интерес в применении к обнаружению пожаров, транспортировке излучения через взрывоопасные смеси, а также лазерному инициированию различных процессов, например, зажигания или детонации [4-6].

В настоящее время для изучения взаимодействия лазерного излучения с каплей жидкости используются две основные модели взаимодействия — тепловая и взрывная. В тепловой модели применяется детальное описание таких стадий, как нагрев, испарение и ионизация парового облака [7]. При этом считается, что нагрев происходит не быстро, и размер облака пара успевает подстраиваться под изменяющийся в процессе испарения радиус частицы жидкости. Во взрывной модели принимается, что нагрев частицы происходит настолько быстро, что вещество конденсированной фазы взрывным образом переходит в пар [8]. Механизм этого явления заключается в образовании внутри капли паровых пузырей при достижении температуры взрывного кипения (для воды эта температура при нормальном давлении составляет 578 К).

Для построения модели взаимодействия лазерного излучения с частицей будем использовать тепловой подход, условием которого является поглощение частицей энергии, не превышающей теплоту ее испарения, за время, меньшее времени пробега звука через сечение частицы. Данный подход позволяет выделить протекание таких элементов процесса, как нагрев, испарение и ионизация парового облака.

Физическая и математическая модель

Стадии процесса взаимодействия лазерного излучения с каплей. Процесс взаимодействия лазерного излучения с каплей (рис. 1) обладает выраженной нелинейной оптической активностью, что обусловлено морфологией капли, а именно квазисферической формой поверхности.

Под воздействием направленного потока излучения на частицу происходит фокусировка лазерного излучения (рис. 1, а) в области теневой полусферы капли. Механизм фокусировки определяется разницей коэффициентов преломления газовой и жидкой среды, а также кривизной поверхности капли. Оптически прозрачная сферическая частица действует как фокусирующая оптическая система, увеличивая интенсивность падающего на нее светового излучения во внутренних зонах, расположенных вблизи ее освещенной и теневой поверхностей. 

Заключение

Разработана математическая модель взаимодействия лазерного излучения с прозрачной каплей на основе теплового подхода. Рассмотрены следующие стадии протекания процесса: прогрев, испарение, образование парового ореола, термическая ионизация. Рассчитаны характеристики лазерного импульса, необходимые для создания оптического пробоя. Созданная модель может быть применена для оценки пороговых значений оптического пробоя. Приведенные данные показывают, что предложенная математическая модель является достаточно информативной для оценки пороговых характеристик оптического пробоя. Принятая схема возникновения электронной лавины на затравочных электронах, образующихся в результате термической ионизации на ударной волне, объясняет качественную картину процесса и служит основой для количественных оценок. Использование опытных данных позволит скорректировать модель и повысить достоверность получаемых на ее основе прогнозов.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/model-vzaimodeystviya-lazernogo-izlucheniya-s-kapley-zhidkosti/pdf