Динамика и структура оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках

4
4
6
6
7
8
8
10
10
14
18
21
21
24
25
33
39
40
42
43
44
47
48
50
53
53
54
56
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Постановка задачи и краткое описание диссертации..............
Разряды в бесселевых лазерных пучках..........................
Общая характеристика диссертации, научная значимость
работы........................................................
Научная новизна...............................................
Положения, выносимые на защиту................................
Апробация работы..............................................
Структура и объем диссертации.................................
Физические основы создания оптических разрядов в бесселевых
лазерных пучках...............................................
Особенности бесселевых пучков.................................
Оптический пробой в бесселевых пучках.........................
Способы увеличения времени жизни оптических разрядов..........
Экспериментальная установка...................................
Функциональная схема..........................................
Мощный лазер..................................................
Задающие генераторы...........................................
Усилительная система..........................................
Диагностическая аппаратура....................................
Зондирующий лазер.............................................
Электронно-оптические камеры..................................
Устройство лазерного запуска электронной аппаратуры...........
Измеритель энергии............................................
Автоматизированная система управления универсальной
лазерной установкой...........................................
Экспериментальная газовая камера..............................
Технология изготовления коноидных аксиконов...................
Диагностические методики......................................
Электронно-оптическая и фотографическая регистрация
процесса оптического пробоя...................................
Теневая съемка................................................
Регистрация рассеянного излучения.............................
3
Глава 4. Результаты экспериментов........................................ 62
4.1. Геометрия оптических разрядов................................... 62
4.2. Динамика развития оптического пробоя............................ 65
4.2.1. Статический (досветовой) режим пробоя........................... 65
4.2.2. Динамический (сверхсветовой) режим пробоя....................... 67
4.2.3. Протяженный квазистационарный оптический разряд................. 71
4.3. Структура канала оптических разрядов............................ 74
4.3.1. Статический (досветовой) режим пробоя........................... 74
4.3.2. Динамический (сверхсветовой) режим пробоя....................... 78
Глава 5. Обсуждение результатов.......................................... 81
5.1. Время формирования разрядов в бесселевых лазерных
пучках.......................................................... 81
5.2. Газодинамика оптических разрядов................................ 83
5.3. Оценка электронной плотности и температуры оптических
разрядов........................................................ 88
5.4. Возможные применения оптических разрядов в бесселевых
лазерных пучках................................................. 89
Заключение.................................................................. 95
Библиографический список использованной литературы.......................... 97
4
ВВЕДЕНИЕ,
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. РАЗРЯДЫ В БЕССЕЛЕВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКАХ
Оптический разряд может быть легко получен с помощью лазерного излучения. Впервые об этом сообщили в феврале 1963 г. Мейкер, Терхун и Севидж на Международной конференции по квантовой электронике в Париже, и в то время это вызвало сенсацию. Вскоре после первого сообщения об открытии лазерного пробоя появилась работа Мейерэнда и Хота [1] и Томлинсона [2], которые исследовали эффект качественно. Излучение лазера фокусировалось линзой, и в точке фокусировки возникала плазма оптического разряда. Малые размеры ограничивали практическое применение этого разряда, поэтому были предприняты попытки увеличить его протяженность, используя для фокусировки длиннофокусные линзы. Но при этом газ пробивался в хаотически расположенных точках каустики с образованием разрозненных очагов плазмы [3]. И только в бесселевых пучках (Б -пучках) лазерного излучения удалось получить оптические разряды с тонким сплошным протяженным плазменным каналом [4]. Это происходит за счет того, что в них обеспечивается боковой подвод энергии равномерно к каждой точке пробоя независимо.
Область применения таких сплошных протяженных оптических разрядов зависит от их размеров, режима формирования и других характеристик. Так, например, для плазменных лазеров [5-8] необходимо быстрое возбуждение инверсной населенности. В быстродействующей коммутационной аппаратуре с лазерным управлением [9,10] важную роль играют электропроводность и минимальное время формирования канала. Плазменное ускорение частиц [11-15] в оптическом разряде возможно реализовать только в особом режиме его распространения - бегущем фокусе. Для эталонных источников света и плазменных антенн [16,17] требуются относительно долгоживущие оптические разряды. Таким образом, одним из наиболее существщшых параметров греющего лазерного излучения являются длительность переднего фронта и общая
5
продолжительность лазерного импульса, от которых зависят режим формирования и время существования плазменного канала.
Оптические разряды представляют интерес для реализации многочисленных устройств и технологий на их базе. Среди перспективных технологий можно выделить следующие:
1. Плазменный канал для транспортировки пучка заряженных частиц к термоядерной мишени [11,15] и передачи электроэнергии без проводов [9,10].
2. Источник оптической накачки и активных сред лазерных систем [5-7].
3. Системы противодействия опасным атмосферным явлениям, таким как грозы и торнадо [18,19].
4. Ракетный двигатель, превосходящий по основной своей характеристике -величине удельного импульса - лучшие двигатели на химическом топливе [20-22].
Для большинства перечислеш1ых применений и технологий требуется формирование сплошных протяженных оптических разрядов (десятки сантиметров -метры). Однако, протяженные оптические разряды, создаваемые в лазерных гауссовых пучках (при фокусировке излучения длиннофокусной сферической линзой), имеют дискретную структуру, в которой очаги пробоя чередуются с областями холодпого газа [9,23]. Сплошной канал формируется в этих условиях электрическим пробоем по следу лазерной искры [9,23-25]. Сплошной протяженный оптический разряд можно также сформировать при поддержании горения “затравочного” разряда импульсом свободной генерации — режим “медленного горения”. Например, за 5 мс можно сформировать разряд длиной 20 см [26]. Оптический разряд примерно такой же длины создан за 10 мкс фокусированием излучения лазера на поверхность твердого тела [17].
Длительное время формирования канала приводит к остыванию первоначально возникших плазменных зон и нарушению его однородности по температуре и плотности, что нежелательно. Неоднородность параметров возникает также из-за нелинейных эффектов взаимодействия греющего излучения при его распространении к дальним зонам канала. Эти недостатки устраняются при подводе энергии к области пробоя сбоку в бесселевых пучках (Б - пучках). Такие пучки можно получить при помощи конических линз - аксиконов [27].
6
Примените лазерных искр в той или иной области обуславливается их физическими (Тс,а), оптическими (яркость) и геометрическими параметрами (длина, диаметр).
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ. НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ
Как будет показано в Главе I, Б - пучки представляют собой новый класс оптических пучков. Поэтому исследование динамики и структуры оптических разрядов в них представляет интерес не только с прикладной, но и с научной точки зрения. Прикладное значение работы определяется перспективой использования сплошных протяженных оптических разрядов в Б - пучках в ряде устройств и технологий, перечисленных выше. Из этих же соображений вытекает актуальность проведения исследований формирования сплошных протяженных оптических разрядов лазерными импульсами различной длительности.
Из всего вышесказашюго цель работы формулируется следующим образом: проведение анализа особенностей формирования бесселевых лазерных пучков, пробоя в бесселевых пучках, способов увеличения времени жизни оптических разрядов; формулирование условий режимов пробоя; создание экспериментальной базы - универсальной лазсрпой установки с возможностью варьирования временных и пространственных характеристик лазерного Б — пучка, получение протяженных оптических разрядов в Б - пучках со сплошным каналом и различным временем их существования, исследование их структуры и закономерностей развития.
3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Впервые получен режим “бегущего фокуса” в оптическом разряде в бесселевых лазерных пучках, максимальная скорость распространения волны пробоя составила ~ 2,5 скорости света. Доказана возможность управления этой скоростью.
7
2. Впервые обнаружены три типа регулярной структуры канала разряда, расположенные вдоль его оси:
- мелкомасштабная, Ь| ~ 2Х/У2;
- крупномасштабная, с периодом Ь2 ~ 101^;
- тонкая, с периодом Ь3 - 0,1 Ь|;
Установлены условия их образования. Измерено время слияния соседних очагов пробоя в единый сплошной канал.
3. Исследована динамика пробоя и развития оптических разрядов при длительности лазерного импульса от 700 мкс до 0,8 не (с фронтом нарастания 100 пс).
4. Разработана технология изготовления формирователей бесселевого пучка с любым профилем преломляющей поверхности.
5. Предложены устройства для получения сплошных протяженных квазистационарных оптических разрядов.
4. ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Автор выносит на защиту:
1. Получение сплошного протяженного оптического разряда в режиме “бегущего фокуса” и протяженного квазистационарного оптического разряда в бесселевых пучках лазерного излучения.
2. Результаты исследования динамики формирования, развития и структуры сплошных протяженных оптических разрядов в бесселевых пучках при различных параметрах лазерного импульса и бесселевого пучка.
3. Технологию изготовления формирователей бесселевого пучка с любым профилем преломляющей поверхности.
5. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
8
Результаты диссертационной работы опубликованы в центральных научных журналах (“Квантовая электроника”, “Физика плазмы”, “Письма в ЖТФ”, “Журнал технической физики”). Оформлено 3 изобретения. Кроме того, часть результатов изложена в препринтах ИВ ТАН, трудах ИОФАН и докладах на Всесоюзных и Международных конференциях. Материалы диссертации докладывались на УШ Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1986), 1У Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала,
1988), I Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Нальчик, 1989), ХГУ Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Белград,
1989), У1 и УШ Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984; Ленинград, 1990), III Международном коллоквиуме по рентгеновским лазерам (Гаршинг, Германия, 1992).
Результаты работы неоднократно обсуждались на научных конференциях и семинарах в Институте высоких температур РАН.
В 1987 г. результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалью.
Результаты работы использованы в Мэрилендском университете (США, проф. Г. Милчбергом), Принстонском университете (США, проф. Ш. Сукевером).
6. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация содержит введение, пять глав, заключение и список литературы. Всего 101 страница, в том числе: 45 рисунков, библиография - 76 наименований.
Представленная работа выполнена в Отделе взаимодействия лазерного излучения с веществом Института высоких температур РАН.
Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы проблематика и постановка задачи, приведены новые научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.