Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические основы создания оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках 10
1.1. Особенности бесселевых пучков 10
1.2. Оптический пробой в бесселевых пучках 14
1.3. Способы увеличения времени жизни оптических разрядов 18
Глава 2. Экспериментальная установка 21
2.1. Функциональная схема 21
2.2. Мощный лазер 24
2.2.1. Задающие генераторы 25
2.2.2. Усилительная система 33
2.3. Диагностическая аппаратура 39
2.3.1. Зондирующий лазер 40
2.3.2. Электронно-оптические камеры 42
2.3.3. Устройство лазерного запуска электронной аппаратуры 43
2.3.4. Измеритель энергии 44
2.4. Автоматизированная система управления универсальной лазерной установкой 47
2.5. Экспериментальная газовая камера 48
2.6. Технология изготовления коноидных аксиконов 50
Глава 3. Диагностические методики 53
3.1. Электронно-оптическая и фотографическая регистрация процесса оптического пробоя 53
3.2. Теневая съемка 54
3.3. Регистрация рассеянного излучения 56
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
- Способы увеличения времени жизни оптических разрядов
- Автоматизированная система управления универсальной лазерной установкой
- Протяженный квазистационарный оптический разряд
- Возможные применения оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках
Введение к работе
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 существенных параметров греющего лазерного излучения являются длительность переднего фронта и общая
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].
Ъ. 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 перечисленных 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 холодного 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].
Применение лазерных искр в той или иной области обуславливается их физическими (Те,ст), оптическими (яркость) и геометрическими параметрами (длина, диаметр).
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ. НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ
Как будет показано в Главе І, 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 вышесказанного 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 лазерной 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.
2. Впервые обнаружены три типа регулярной структуры канала разряда, расположенные вдоль его оси:
- мелкомасштабная, Li 2У1/1;
- крупномасштабная, с периодом Ьг 10 Li;
- тонкая, с периодом L3 - ОД Lj;
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
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 ИВТАН, трудах ИОФАН и докладах на Всесоюзных и Международных конференциях. Материалы диссертации докладывались на УШ Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1986), IY Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988), I Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Нальчик, 1989), XIY Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Белград, 1989), YI и YI1I Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984; Ленинград, 1990), Ш 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.
В Главе I приводится характеристика бесселевых пучков лазерного излучения, краткий обзор современного состояния физики оптических разрядов, способов их получения и диагностики состояния, результатов их исследований. Уделено внимание методам продления времени жизни оптических разрядов в бесселевых пучках лазерного излучения.
В Главе 2 описана экспериментальная база для создания и исследования сплошных протяженных оптических разрядов, формируемых лазерным импульсом различной длительности; диагностическая аппаратура и технология изготовления конических и коноидных аксиконов.
Глава 3 посвящена описанию экспериментальных методик, примененных в данной работе. Исследования проводились фотографическими, электронно -оптическими методами, а также методом регистрации лазерного излучения, рассеянного каналом оптического разряда.
Глава 4 посвящена исследованию динамики и структуры разрядов в лазерных Б — пучках при различных параметрах лазерного импульса и фокусирующего аксикона.
В Главе 5 обсуждаются результаты экспериментального исследования оптических разрядов. Показано изменение поведения оптических разрядов при различных режимах их формирования. Приведены некоторые возможные технические применения оптических разрядов, формируемых в лазерных Б - пучках.
В Заключении сформулированы выводы по материалу работы.
Способы увеличения времени жизни оптических разрядов
Оптический разряд, находящийся в поле достаточно большой интенсивности, имеет тенденцию к распространению. Скорость распространения зависит от величины интенсивности этого поля. При интенсивностях излучения лазера на Nd — стекле, превышающих 108 Вт/см2, в атмосферном воздухе наблюдается распространение сверхзвуковых волн оптического разряда со скоростью 107 см/с [44]. Такие скорости характерны для светодетонационной волны, сверхзвуковых теплопроводностного и радиационного режимов. При интенсивностях — 107 Вт/смгь этих условиях наблюдается распространение оптических разрядов с дозвуковыми скоростями (порядка десятка метров в секунду) [3]. В этом случае передача энергии от горячих слоев разряда к окружающим холодным слоям газа происходит через механизмы теплопроводности и переноса энергии УФ — части спектра собственного излучения плазмы разряда. Из-за одинаково резкой (экспоненциальной) зависимости коэффициента поглощения лазерного излучения в плазме и скорости химической реакции от температуры такой режим аналогичен процессу медленного дозвукового химического горения. Поэтому такой процесс был назван распространением оптического разряда в режиме "медленного горения".
"Медленное горение" оптического разряда в лазерном луче впервые было описано в 1969 году [45]. Распространение оптического разряда наблюдалось в луче лазера на Nd — стекле, работающего в режиме свободной генерации. Затравочная плазма создавалась с помощью электрического пробоя воздуха. Интенсивность сфокусированного лазерного луча достигала 107 Вт/см2, что значительно меньше пороговой интенсивности для оптического пробоя. Средняя скорость роста длины оптического разряда за время генерации лазера ( 1 мс) была 40 м/с, длина оптического разряда к концу импульса свободной генерации достигала 7,5 см.
При повышении давления газа, в котором создается пробой, коэффициент поглощения лазерного излучения в плазме увеличивается пропорционально примерно квадрату давления [37]. Следовательно, можно снизить требования к мощности лазерного излучения. Так в работе [46] исследовался оптический разряд в режиме "медленного горения", получаемый в аргоне при давлениях 18-80 атм. Разряд инициировался при помощи рубинового лазера, работающего в пияковом режиме свободной генерации, и поддерживался сфокусированным излучением рубинового лазера, работающего в беспичковом режиме свободной генерации. Интенсивность в фокусе сферической линзы (f = 2,5 см) достигала - 6-Ю7 Вт 1см. Фронт разряда двигался навстречу лучу вспомогательного лазера. Скорость распространения фронта была порядка десятка метров в секунду, максимальная - до 250 м/с.
В работе [47] проведено наиболее полное исследование оптического разряда, распространяющегося по лазерному лучу в режиме "медленного горения". Затравочный пробой создавался фокусировкой моноимпульса лазера на Nd - стекле (Е = 1 Дж, ішп = 40 не) в воздух сферической линзой с фокусным расстоянием/= 10 см, горение искры поддерживалось излучением лазера на Nd - стекле, работающего в беспичковом режиме свободной генерации (энергия излучения - до 8 кДж в импульсе длительностью 5 мс). При фокусировании излучения сферической линзой с/= 1 м интенсивность в каустике достигала 1,4-107 Вт/см1. Излучение лазеров направлялось под прямым углом друг к другу. Наблюдалось распространение разряда по лучу миллисекундного лазера примерно симметрично в обе стороны от места инициирования. Скорость движения фронтов разряда составляла - 20 м/с. Длина световой области разряда к концу поддерживающего импульса достигала - 20 см, его поперечные размеры - 2 см. Установлено, что порог "подхватывания" плазмы инициирующего пробоя излучением поддерживающего лазера составляет 4-Ю Вт/см2. Превышение пороговой интенсивности в 2 раза позволяет получить в 10 раз более длинные плазменные образования. Оценка на основе использования одномерной модели для описания газодинамического режима стационарного распространения плоского фронта оптического разряда (модель горения в бесконечной трубе) дает температуру плазмы 1,7-10 1,9-104 К.
Во второй серии экспериментов инициирование проводилось в двух точках на оси луча миллисекундного лазера. При этом возникало два независимых разряда, сближающихся при распространении вдоль луча поддерживающего лазера. По снижению скорости сближающихся фронтов разрядов обнаружено их взаимодействие между собой посредством вытесняемых потоков холодного газа. Произведена оценка: скорость холодного газа перед фронтом составляет не менее 10 м/с при скорости фронта - 20 м/с. По скорости изменения формы области свечения после соединения фронтов оценена скорость движения плазмы в разряде: скорость движения горячего газа вдали от фронта составляет - 30 м/с.
Явление "медленного горения" оптического разряда в бесселевых пучках лазерного излучения можно использовать в следующих направлениях: 1. Для создания долгоживущего сплошного протяженного оптического разряда. В этом случае выбирается аксикон с оптимальным для данной мощности моноимпульса преломляющим углом. В момент пробоя газа формируется оптический разряд со сплошным каналом, горение которого поддерживается импульсом свободной генерации. 2. Для снижения энерговклада при формировании сплошных протяженных оптических разрядов. В этом случае выбирается аксикон с уменьшенным преломляющим углом, интенсивность моноимпульса при этом несколько меньше порога пробоя газа по всей длине каустики аксикона. В момент пробоя формируется оптический разряд, состоящий из отдельных очагов плазмы, которые затем сливаются в сплошной канал в процессе их распространения при поддержании горения этих очагов импульсом свободной генерации. Как показали исследования [47,48], для поддержания горения оптического разряда достаточно интенсивности поддерживающего импульса 10і Втісм2, поэтому в ряде случаев может оказаться более удобным и экономичным второй режим создания сплошного протяженного оптического разряда. Назовем оптический разряд в бесселевых пучках лазерного излучения в режиме "медленного горения" - протяженным квазистационарным оптическим разрядом (ПКОР). Эффект увеличения времени жизни плазмы оптического пробоя может наблюдаться и без поддерживающего излучения. В работе [50] оптический разряд создавался в фокусе сферической линзы в воздухе, влажность которого изменялась в диапазоне от 35% до 99,9%. Экспериментальные результаты по определению влияния влажности р на время жизни оптического разряда tp показали, что зависимость имеет резонансный характер. Увеличение времени жизни наблюдается при д = 93,5% и, достигая максимального значения при р= 97,2%, резко уменьшается. Если при q = 97,2% tp = 8 мс, то при р= 93,5% tp = 0,4 мс.
Автоматизированная система управления универсальной лазерной установкой
В работе [47] проведено наиболее полное исследование оптического разряда, распространяющегося по лазерному лучу в режиме "медленного горения". Затравочный пробой создавался фокусировкой моноимпульса лазера на Nd - стекле (Е = 1 Дж, ішп = 40 не) в воздух сферической линзой с фокусным расстоянием/= 10 см, горение искры поддерживалось излучением лазера на Nd - стекле, работающего в беспичковом режиме свободной генерации (энергия излучения - до 8 кДж в импульсе длительностью 5 мс). При фокусировании излучения сферической линзой с/= 1 м интенсивность в каустике достигала 1,4-107 Вт/см1. Излучение лазеров направлялось под прямым углом друг к другу. Наблюдалось распространение разряда по лучу миллисекундного лазера примерно симметрично в обе стороны от места инициирования. Скорость движения фронтов разряда составляла - 20 м/с. Длина световой области разряда к концу поддерживающего импульса достигала - 20 см, его поперечные размеры - 2 см. Установлено, что порог "подхватывания" плазмы инициирующего пробоя излучением поддерживающего лазера составляет 4-Ю Вт/см2. Превышение пороговой интенсивности в 2 раза позволяет получить в 10 раз более длинные плазменные образования. Оценка на основе использования одномерной модели для описания газодинамического режима стационарного распространения плоского фронта оптического разряда (модель горения в бесконечной трубе) дает температуру плазмы 1,7-10 1,9-104 К.
Во второй серии экспериментов инициирование проводилось в двух точках на оси луча миллисекундного лазера. При этом возникало два независимых разряда, сближающихся при распространении вдоль луча поддерживающего лазера. По снижению скорости сближающихся фронтов разрядов обнаружено их взаимодействие между собой посредством вытесняемых потоков холодного газа. Произведена оценка: скорость холодного газа перед фронтом составляет не менее 10 м/с при скорости фронта - 20 м/с. По скорости изменения формы области свечения после соединения фронтов оценена скорость движения плазмы в разряде: скорость движения горячего газа вдали от фронта составляет - 30 м/с.
Явление "медленного горения" оптического разряда в бесселевых пучках лазерного излучения можно использовать в следующих направлениях: 1. Для создания долгоживущего сплошного протяженного оптического разряда. В этом случае выбирается аксикон с оптимальным для данной мощности моноимпульса преломляющим углом. В момент пробоя газа формируется оптический разряд со сплошным каналом, горение которого поддерживается импульсом свободной генерации. 2. Для снижения энерговклада при формировании сплошных протяженных оптических разрядов. В этом случае выбирается аксикон с уменьшенным преломляющим углом, интенсивность моноимпульса при этом несколько меньше порога пробоя газа по всей длине каустики аксикона. В момент пробоя формируется оптический разряд, состоящий из отдельных очагов плазмы, которые затем сливаются в сплошной канал в процессе их распространения при поддержании горения этих очагов импульсом свободной генерации. Как показали исследования [47,48], для поддержания горения оптического разряда достаточно интенсивности поддерживающего импульса 10і Втісм2, поэтому в ряде случаев может оказаться более удобным и экономичным второй режим создания сплошного протяженного оптического разряда. Назовем оптический разряд в бесселевых пучках лазерного излучения в режиме "медленного горения" - протяженным квазистационарным оптическим разрядом (ПКОР). Эффект увеличения времени жизни плазмы оптического пробоя может наблюдаться и без поддерживающего излучения. В работе [50] оптический разряд создавался в фокусе сферической линзы в воздухе, влажность которого изменялась в диапазоне от 35% до 99,9%. Экспериментальные результаты по определению влияния влажности р на время жизни оптического разряда tp показали, что зависимость имеет резонансный характер. Увеличение времени жизни наблюдается при д = 93,5% и, достигая максимального значения при р= 97,2%, резко уменьшается. Если при q = 97,2% tp = 8 мс, то при р= 93,5% tp = 0,4 мс. Как было показано во Введении, области применения оптических разрядов требуют различные режимы их формирования, времена жизни, а также физические, оптические и геометрические параметры. Методическая общность и экономическая целесообразность потребовали создания универсальной экспериментальной установки для изучения сплошных протяженных оптических разрядов во всей совокупности условий, отвечающих перечисленным прикладным задачам. Такая установка была создана. Её универсальность обеспечивается характеристиками установки: 1. Сменный конический фокусирующий элемент позволяет варьировать угол фокусировки лазерного излучения в пределах 0,5 - 30. 2. Набор лазерных генераторов с регулируемыми элементами определяет длительность и форму импульса излучения, а также длительность его переднего фронта от 100 пс до 10 не, задающая режим пробоя. 3. Специальная автоматизированная система дозировки энергии накачки генератора и усилителей обеспечивает воспроизводимость энергии излучения лазера в пределах 5%. 4. Предусмотрена внешняя и внутренняя синхронизация исследуемого процесса и регистрирующей аппаратуры с погрешностью не более половины длительности фронта импульса. 5. Обеспечена максимальная температурная устойчивость юстировки всех оптических систем.
Протяженный квазистационарный оптический разряд
Автоматизированная система состоит из модернизированных серийных блоков питания типа ГОС-1001 и интерфейса, обеспечивающего связь блоков питания с управляющей ЭВМ и работу системы в автономном режиме. Конструктивно интерфейс состоит из двух блоков прецизионных делителей — интеграторов, блока "пульт - интерфейс" и звукового генератора. Блоки интерфейса собраны в стандарте КАМАК и питаются от источников питания крейта КАМАК. В интерфейсе шины "R" и "W" КАМАК используются для связи блоков между собой, поэтому установка стандартных блоков КАМАК в этот крейт не допускается.
В зависимости от режима работы интерфейса управление блоками питания осуществляется либо от выносных кнопочных пультов, подающих сигналы "заряд конденсаторов", "поджиг" и "сброс", либо с терминала ЭВМ. Модернизированный блок питания в зависимости от положения тумблеров "управление" и "напряжение" на сменном блоке может работать в трех режимах: Резким 1 устанавливается при переключении тумблеров "управление" и "напряжение" в положение "местный". При этом всё управление источником питания осуществляется штатными кнопками на лицевой панели или на выносном пульте управлення БП. Режим 1 предназначен только для поочередной проверки работоспособности блоков питания. Режим 2 устанавливается при переключении тумблера "управление" в положение "ЭВМ", а тумблера "напряжение" в положение "местный". При этом напряжение на конденсаторной батарее устанавливается двухкаскадным переключателем на сменном блоке управления, а управление цепями зарядки конденсаторов осуществляется интерфейсом, работающим в автономном режиме или под управлением ЭВМ. Резким 3 устанавливается переключением тумблеров "управление" и "напряжение" в положение "ЭВМ". Опорное напряжение устанавливается с центрального пульта, работа источника питания возможна только под управлением ЭВМ. В автономном режиме интерфейс управляется с выносного пульса управления. При этом блоки питания должны быть включены в режим 2.
При нажатии кнопки "заряд" пульт - интерфейс включает звуковой генератор, который подает на громкоговорители непрерывный сигнал с частотой около 400 Гц. Через 7 секунд после нажатия кнопки "заряд" на все блоки питания подается сигнал зарядки накопительных конденсаторов. Одновременно изменяется режим работы звукового генератора: звуковой сигнал становится прерывистым (200/400 Гц поочередно). После того, как от всех включенных блоков питания поступят сигналы "готов", пульт - интерфейс переключает звуковой генератор в режим подачи непрерывного звукового сигнала частотой 200 Гц. Состояние блоков питания -"включен" или "готов" - индицируется светодиодами на лицевой панели пульта — интерфейса. При нажатии кнопки "поджнг" отключаются цепи заряда накопительных конденсаторов, одновременно на разъём "фото" подается напряжение + 23 В, через 0,35 сек на разъём "поджнг" подается импульс + 32 В (на нагрузке 50 Ом). Через 0,5 сек. после генерации импульса "поджиг" сбрасывается остаточное напряжение на конденсаторах блоков питания лазера. Одновременно с подачей команды на сброс остаточного напряжения выключается звуковой сигнал.
Работа пульта - интерфейса под управлением ЭВМ определяется программами, обслуживающими управляемый источник питания, и возможностями интерфейса. Как показали первые эксперименты, структура канала оптических разрядов при пробое лазерным импульсом длительностью 1 не существенно отличается от структуры канала разряда при пробое более длинным импульсом. Поэтому, для изучения структуры наносекундного разряда возникла необходимость исключить наличие в зоне пробоя аэрозолей и пыли. С этой целью была сконструирована и изготовлена специальная камера (см. фото нарис. 2.16). Оправа аксикона 1 через уплотняющий фланец прижата к торцу камеры. В окнах 2,3 и 4 в уплотнительных прокладках размещены объективы. Противоположный аксикону торец камеры закрыт стеклянной пластиной на уплотнении. Через эту пластину в поглотитель лазерного излучения 5 проходит часть лазерного импульса, прошедшая через аксикон до момента пробоя. За каустикой это излучение имеет форму кольца, и по его симметричности и внутренней структуре можно судить о качестве исходного пучка и о симметричности его прохождения через аксикон. В качестве чувствительного к лазерному излучению экрана использовалась засвеченная фотобумага. Через патрубок 6 в камеру нагнетается очищенный воздух. Он вытесняет неочищенный воздух в патрубок 7. Лабораторный воздух очищается пропусканием его через фильтр Петрянова со скоростью не более 1 м/с. Фильтр установлен в воздушном насосе с изменяемой скоростью подачи воздуха. Камера установлена на юстировочных столиках, которые в свою очередь установлены на рельсе. Такая компоновка позволяет в случае необходимости быстро снять и затем поставить камеру на прежнее место с большой точностью (до 0,5 мм). Для обеспечения равномерного профиля распределения интенсивности лазерного излучения вдоль оси фокусировки необходимо согласовать форму аксикона с распределением интенсивности исходного лазерного пучка, что может быть произведено двумя способами: 1. Профилированием распределения интенсивности в исходном лазерном пучке (получаемая форма распределения - гиперболическая); 2. Профилированием преломляющей поверхности аксикона (форма такой преломляющей поверхности - коноид); Недостаток первого способа заключается в неэффективном использовании усилительной системы (в перегрузке центральных участков активных элементов и недогрузке периферийных), а также в значительных потерях мощности при трансформации гауссовского или гипергауссовского пучка в пучок с гиперболическим распределением интенсивности.- Недостаток второго - в крайней трудоемкости изготовления коиоидного аксикона с непрямолинейной образующей. Для повышения технологичности изготовления конондных аксиконов и увеличения точности профиля их поверхности было предложено устройство [57], изображенное на рис. 2.17. Устройство содержит корпус 1, в котором на упругих элементах 2 установлена втулка 3. К втулке 3 прижимается обрабатываемый аксикон 4, который имеет привод вращательного движения. Втулка 3 имеет радиальный канал 5 и продольный канал 6 для подвода гидроабразивной смеси. В продольном канале б помещен пгток 7 силового исполнительного органа 8. На одном из упругих элементов 2 расположен датчик усилия 9, который через усилитель 10 и устройство сравнения 11 соединен с исполнительным органом. Устройство сравнения 11 соединено также с задающим устройством 12 и имеет обратную связь с исполнительным органом.
Возможные применения оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках
Известны три основных механизма распространения оптического разряда: светодетонационный, радиационный и волна пробоя [3, 36-37, 44]. Первый из них основан на поглощении лазерного излучения в тонком слое за ударной волной, движущейся от точки пробоя к фокусирующему элементу. Второй реализуется Б случае высокой температуры (Т - 106 К) в области пробоя, когда длина пробега тепловых квантов с энергией кБ (ks - константа Больцмана) превышает ширину зоны поглощения и ширину нагретой области, что приводит к поглощению теплового излучения в примыкающих к нагретой зоне слоях газа и разогреву их до температуры Т 104 К. При такой температуре эти слои начинают эффективно поглощать лазерное излучение и нагреваться. В волне пробоя оптический разряд последовательно инициируется в точках каустики по мере превышения в них пороговой интенсивности.
По экспериментальным результатам оценим роль каждого механизма в бесселевых лазерных пучках (при аксиконной фокусировке лазерного излучения).
В 4.2.1 показано, что скорость распространения пробоя вдоль оси фокусировки достигает 5Л0 см1с [51]. Типичная для светодетонационного механизма скорость распространения оптического пробоя Ю7см/с[36]. Примерно такая же скорость соответствует радиационному механизму [37]. Таким образом, оба эти механизма не могут объяснить экспериментальные данные.
Рассмотрим теперь волну пробоя как механизм распространения оптического разряда в досветовом режиме. Эксперименты показали (см. 3.1.3), что пробой начинается в точке максимальной интенсивности лазерного излучения (как правило, это % ). Затем пробой распространяется на соседние участки каустики по мере нарастания интенсивности излучения в моноимпульсе. Время формирования разряда при этом будет определяться из следующей формулы [28]: Это значение совпадает с полученным экспериментально временем формирования оптического разряда 20 + 50 не. Таким образом, оценки на основе предположения о распространении оптического разряда волной пробоя дают результаты, совпадающие с экспериментальными данными. При этом время формирования разрядного канала не превышает длительности лазерного импульса. Таким образом, реализуется статический (досветовой) режим пробоя (см. 1.2), При лазерном импульсе длительностью 1 не и у = 2,5 (ow = 5) реализуется режим бегущего фокуса, при котором длительность фронта лазерного импульса много меньше времени формирования канала оптического разряда. Как показали эксперименты в 4.2.2, разряд длиной 1 м формируется за время 1 не. Таким образом, оценка скорости формирования разряда по интегральным фотографиям дает величину Г 109л(/с,т.е. 1 не. Очевидно, что это оценка снизу. Более точно время формирования разряда определяется из разверток его свечения через параллельную его оси щель (рис. 4.7). Период структуры елочки составляет 0,08 см; скорость распространения отдельных очагов плазмы навстречу друг другу 6-10бсм/с. Тогда время слияния отдельных очагов в сплошной канал составит / 0,2 не, Оценим по осциллограммам импульса рассеяния и интегральным фотографиям разряда в ИК - диапазоне скорость развития пробоя и скорость радиального расширения канала. Как видно из рис. 4.16 расстояние между очагаыи пробоя на треке примерно /-0,07 лш. Интервал между импульсами рассеяния (# = 0,13 не. Таким образом, скорость развития разряда по треку Umf = 1/ S=5,4-107 аніс. Угол наклона трека к оси аксикона fi 50. Сопоставление различных методик исследования радиального разлета сплошных протяженных оптических разрядов при досветовом режиме пробоя приведено на рис. 5.1. В нижней его части представлены данные по расширению разряда на протяжении первых трех микросекунд после пробоя, а на верхней - в течение 100 мкс. Сплошные линии 1 обозначают границу области свечения, полученную из электронно-оптических разверток через перпендикулярную оси разряда щель. Линией штрих-пунктир 2 отмечена граница зоны возмущенного пробоем газа, а пунктиром 3 -координаты ударной волны после ее отрыва от канала (по теневой методике). Видно совпадение результатов методик 1 и 3 вплоть до момента отрыва ударной волны. Затем канал разряда достигает максимального диаметра - 1 см через 6-hi мкс после пробоя и начинает сужаться. Через 100 мкс он имеет диаметр около 0,4 см. Граница возмущенного пробоем, но не светящегося газа (оболочки разряда), продвигается за 40 мкс примерно на 1 см от оси. Затем оболочка медленно сужается. Ударная волна после отрыва движется со скоростью - 5-Ю4 си/с, что примерно в 1,5 раза больше скорости звука в воздухе атмосферного давления при комнатной температуре, на тенеграммах она визуализируется в виде характерной широкой -черной полосы с белым окаймлением [51] - снимки через 2 мкс после пробоя и 2 - ударная волна после отрыва от канала (теневая методика). Такая структура изображения объясняется характером изменения коэффициента преломления по радиусу оптического разряда. Она соответствует ситуации, когда ударная волна ие оторвалась от канала разряда. При сверхсветовом режиме пробоя канал оптического разряда достигает своего максимального диаметра 1 мм за 0,1 не (рис. 5.2), что соответствует длительности фронта лазерного импульса. До момента отрыва ударной волны к 0,5 не канал сохраняет постоянный диаметр. После отрыва ударной волны (к моменту окончания лазерного импульса - 1 не после пробоя) диаметр канала уменьшается в течение 0,2 -0,3 не до - 0,12 мкм. Такой диаметр сохраняется вплоть до релаксации оптического разряда к 5-ой не (рис.4.9). Газодинамика оптического разряда с поддержанием его горения импульсом свободной генерации (протяженного квазистационарного оптического разряда) резко отличается от газодинамики оптического разряда, сформированного одиночным моноимпульсом.
Примерно до 120 мкс (см. рис. 5.3) разряд имеет вид сплошного цилиндра с огибающей, повторяющей ход основных лучей аксикона. Затем к 150-мкс намечается на оси разряда образование внутренней полости со стороны аксикона. Эта полость постепенно увеличивается, и к 200-мкс разряд приобретает форму трубки. Еще через 50 мкс (к 250-мкс) внутри первой трубки образуется вторая.
В [65] наблюдалось образование вихревого кольца на поздней стадии развития лазерной искры (через 80 не 100 мкс после пробоя). Дальний от лазера острый конец оптического разряда в процессе релаксации принимал форму воронки. С началом охлаждения эта воронка схлопывалась, давая начало кумулятивной струе газа вдоль оси лазерной искры. Скорость движения потока газа составляла при этом - 200 м/с. Скорость расширения трубок в нашем случае составляет 400 м/с. Как видно из разверток, внутренний диаметр трубчатого канала к 200-мкс становится - 1 см, а внешний - 2 см. Эти размеры примерно совпадают с размерами вихревого кольца в [65]. Однако при торцевом подводе излучения во время поддержания горения разряда трубчатая структура не формируется [49,65].
