Исследование процессов ионизации разреженных газов, инициированных излучением гигаваттного CO2 - лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

- • л (

£. о Оаи " " ' ■•

РОССИЙСКАЯ АКДДЭШ нш ШСТИТУТ (ЩЕЙ шш

на правах рукописи УДК 533.96.1

КОНОНОВ НИКОЛАИ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ШШЗА1ОТ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ, ШШЩРОВАНШХ йаЛУЧЕШШ ГЙГАВАТТНОГО. СО2-ЛШРА.

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискшаэ ученой етешнй кандидата фкзиконматематшэских наук

Москва 1994

I. Общая характеристика работы. Актуальность теш диссертация.

Проблема поиска методов создания зысокоиошзоваяной плазма с хорошо контролируемым ионным составом привлекает внимание исследователей в течение длительного времени. Можно выделить три основных направления которые поддерживают постоянный интерес к Этой проблеме: I) поиски оптимальных схем накачки активных сред коротковолновых лазеровС1,23, 2) получение протяженных плазменных образований, которые могли бы использоваться в системах радиосвязи ( напр. плазменные антенны) и в системах силовой электронной техники (мощные коммутаторы энергии,...>13,41; 3) использование лазерной плазмы в качестве источника жесткого электромагнитного излучения для целей микроэлектроники.

Высокоэнергетичные С02-лазеры (И1Г£103Дж) с импульсом генерации микросекундной длительности {в дальнейшем будет использоваться термин гигаваттные С02-лазеры) являются привлекательными источниками энергии для проведения исследований в этих направлениях. Это связано с возможностью концентрации греющего лазерного излучения на уровне плотности мощности > 1011Вт/см2 в течение достаточно длительного времени Ю~7с, что существенно больше нежели время которое могут обеспечить твердотельные лазеры с модулированной• добротностью). Вследствие этого, при воздействии излучения на вещество, оказывается возможным формировать весьма' протяженные плазменные образования о высокой степенью ионизацшш и температурой. В качестве примеров успешного применения СО^-лэзеров подобного. типа для решения таких задач укажем работы [5,6] в которых

- Б -

информативным, поскольку позволяет получать детальную информацию относительно гидродинамических и ионизационных характерногак расширяющейся плазмы, что в свою очередь дает возможность понимания, с хорошей степенью достоверности, природа физических: процессов протекающих в ней.'

Целью работы является: I) поиск оптимальных условий лазерного нагрева для создания протяженных плазменных сгустков с высокой степенью ионизации и излучательными характеристиками. 2) определение методов, эффективного пространственного контроля ионного состава высокотемпературной лазерной плазма.

Задачи исследования.

1) экспериментальное изучение гидродинамических, ионизационных и излучательных характеристик лазерных искр, ооразованиых в разреженных газах (гелий, аргон) излучением гкгаваттного СС^-лазера с I " 1С11 Вт/см2 и энергией в импульсе =* ?кДж.

2) экспериментальное выяснение особенностей процессов ионизации,' разреженных буферных газов в сильных УВ, возбуждаемых в результате теплового'расширения горячей плазмы ( Те<* 100 эВ ), образованной на поверхности твердой мишени импульсом излучения гихаваттно-го С02-лазера..

3) Экспериментальное изучение ионизационных и рекомбинационных процессов протекающих в сверхзвуковом потоке лазерной плазмн при его столкновении с твердой преградой.

состояния ионов Oil и ОШ. Научная новизна работы.

1. Впервые экспериментально показано, что при работе -влектро-ионизационного С02-лазера на безазотных лазерных смесях, возможно, за счет микродобавок SF6 в разрядную камеру, оптадаиротзгь

- рабочее значение E/F и вследствие этого значительно увеличить мощность в первом пике лазерного импульса с одновременна подавлением мощности лазерной генерации в его хвосте.

2. Экспериментально изучен процесс ионизации разрежв1шкх газов (гелий Р<50Тор, аргон Р^20Тор) в пшерзвуковых УВ, возбуждаемых в результате теплового расширения лазерных искр, образованных

в этих газах излучением С02-лазера с ХЯО^т/см2. ~ Впервые показано, что одним из основных процессов, который приводит к образованию ореола ионизации, окрукавдего лазерную искру в аргоне является фотоионизация атомов аргона тепловым континуумом из состояний 5з[3/2)° и 3d[3/2i°, возбуздаемых линейчатым излучением ионов лазерной плазмы АгШ, (ЗаЗр5 3Р1 0—» 3а23р4

3. Впервые, с помощью топографической интерферометрии, визуализирован процесс турбулизации плазмы лазерной искра, созданной в гелии и аргоне излучением С02-лазера с I > 101oBt/cm2, при увеличении давления газов выше «50Тор.

4= Впервые экспериментально доказано, что максимальный заряд ионов буферного газа, образующихся в результате теплового расширения горячей плазмы (Те~ 100эВ) с поверхности нагреваемой излу-, чением С02-лазера твердой мишени, достигается в момент смены режима расширения лазерной плазмы со сверхзвуковой тешювой

довакий в области получения усиления на коротковолновых переходах с заселением рабочих уровней в результате дояэктронной рдаэмбй-нации. .

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на научных, семинарах Физического института им Ц.Н.ЛаОедваа РАН, Института общей ®изихи РАН и докладывались яа следуншх конференциях:

1. III Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград, I9S2

2. VI Всесоюзная конференция по нерезонаясному взаимодействию оптического излучения с веществом, Паланга, 1984.

3. IV Всесоюзная конференция по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой, Ташкент, 1985.

4. VIII Европейская конференция по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (ESCAMPFIG), Грейсвальд Германия, 1988.

5. ÍX ESCAMPIG, Лиссабон, Португалия, 1988.

6. II Всесоюзное совещание "Высокочастотный разряд в волновых полях", Куйбышев, 1989.

7. IV Всесоюзное совещание по автоионизационшам явлениям в атомах, Москва. 1990.

8. XX международная конференция по явлениям в ионизованных газах (ICPIG), Пиза, Италия, 1991.

Структура в объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы содержащем 104 наименования. Общий объем диссертации 145 страниц, включая 28 рисунков.

- и -

электрической прочности разрядного промежутка в лазерной кювета, что приводит к необходимости уменьшения рабочего напряжения на аноде лазера и соответственно к уменьшению анорговкледа в объемный разряд.

В §1.2 излагаются результаты исследований по работе установки ЛАД-2 на безазотшх лазерных смесях с микродобавками для увеличения электрической прочности рабочего зазора .и соответственно для оптимизаида отношений Е/Р, где Е-напряжекаоеть электрического поля, приложенного к разрядному проложугку формирующему объемный, разряд и Р-дввление лазерной смеси. .Анализ динамики мощности лазерной генерации в зависимости от . парциального давлеьля 3?6 показывает» что при увеличению! давления 5Р6 от ~ 10"4 до 5*10"3 Тор (вплоть до, подавления объемного разряда) к.п.д. лазера возрастает болев чем в два раза, при этом максимальный энергосъвк в лазерном излучении реализуется при давлении БГ^ <* 5»1£Г4-10~3 Тор. Оптимальной' безазотной лазерной смесью для получения максимальной энергии а импульсе генерации является смесь С02:Не~1:3 с парциальным давлением 5*1СГ4Тор. При использовании такой смеси получены импульсы генерации длительностью по полувысоте «80нс с анергией «1,5 кДж при пиковой мощности »15 ГВт; при этом в переднем пике находилось свше 8<Ж лазерной энергии.

В §1.3 описывается исследования спектра генерации 00г-лазэра при добавлении, в лазерную кювету В отсутствие {Я?6 генерация лазера происходит на вращательном переходе Р20 колебательно-вращательной полосы 00°1~10о0. Добавление в лазерную кювету

цнтерфзрограш и спектрограмм.1

Вторая глава содержат описание диагностических методов. Яслольвованнах в работе.

В §2.1 анализируются особенности исследования лазерной швз-№ методом двухакспозициошой го лографкческой интерферометрии и область применимости этой методики.

В §2.2 излагаются основные принципы, определяйте етязь ¡¿ркду экспериментально измеряемой интенсивностью шзмучатя, соз~ |peemro пространственно протяженной плазмой и коэффициентами екания е, значения которых зависят от ионизационных параметров плазмы. Рассматривавтел методика нахоадевгия пространственных распределений в (и,г) в сферически и цызпщжчэски симметричной плазме. ,

В §2.3 рассматриваются метода определения электронной температура Те хиазма ж» измерению относительной интенсивности свеэт-ральньос линий. В работе для определения Те использовались жвш донов Aril Я=4609 А° и JU=48Q6 А°, а также Git А.=2530 А° и .СШ 2297 А0. г

При использовании опектральных линий ионов CIV и Olli исследуется вклад, который вносит в ионизационное равновесие плазмн процесс даэлектронной рекомбинации(ДР). Завксамость относительной ¡деенсивности спектральных линий 2530 А0 и 229? А° от Те» полуденная с учетом вклада даэлектронной рекомоияаз&ш сравнивается с ралогичной зависимостью, при вычислении которой вклад даэлок-■?*>ошо& рекомбинации не учитывался 11)1. Искав то, что ошока в ¡эдределении Те, которая возникает в случае неучета процессе ДР,

'' л. - 15 -

позволяет, даже без использования длиннофокусной оптики, получать весьма протяжённые (до »10см) плазменние образования и во-вторых относительно большие значения температур достигаемые в ней, в результате чего возбуждаются сильные ионизирующие УВ, распространяющиеся с болышш скоростями в окружающий холодный газ. Так как тепловое расширение лазерной искры оказывает большое влияние на ее ионизационные параметры, то в атом же разделе описываются результаты исследования структур! УВ, возбуздаемнх в холодном газе, вне каустики фокусирующей системы, в результате этого расширения.

Далее обращается внимание на то, что существует качественное отличив структуры лазерной искры в аргоне от структуры искры в гелии. Оно заключается в том, что возфуг лазерной искры в аргоне (Р<20Тор) существует интенсивный ореол ионизации < Не<3*.1017см~3) холодного газа.

В §3.4 на примере оптического разряда в аргоне при ВИОТор

>

исследуется природа возникновения этого ореола. В качестве альтернативных каналов ионизации рассматривается фотоионизация тепловым континуумом атомов аргона из основного состояния, а такие из состояний 5813/33° я ЗЛЕЗ/21°. Выбор эивг аостояшй определяется следующим обстоятельством. В спектре излучения исследуемой лазерной плазмы, состоящем в основном из спектральных линий ионов АгШ, большую роль играют спектральные линии этих ионов, соответствующие переходам ЗвЗр5 ЭР1 0 -» 3а23р4 ^ С121. Так как энергии фотонов, излучаемых в эти?, линиях очень незначительно отличаются от энергий возбуждения соответствующих атомарных

греющего лазерного пучка. Такое цредаоложение подтверждается приведенными скоростными фотографиями турбулентной плазмы не которых отчетливо видна нитевидная структура лазерной искра.

6 четвертой главе исследуются ионизационые .процессы инициируемые в разреженном буферном газе (гелий, азот, воздух, аргон PíSTop) раайирякщейся лазерной плазмой, образованной на поверхности твердой мишени сфокусированным излучением С02~лазера с I ~ 1011 Вт/с®?.

В §4.1 обсуждаются причины стимулирующие интерес к изучению подобных физических объектов. '

" . В §4.2 на основе пространственных: профилей Ne, полученных с помощью голографической интерферометрии, исследуется динамика пространствнно-врем&нной структуры лазерной плазмы расшрянцейся с поЕерхносга твердой мишени в разреженный буферный газ.

В §4.3 дается описание, наблюдаемого с помощью пространственно разрешенной спектроскопии, явления пространственной локализации многозарядннх ионов буферного газа, которое заключается в том что области в которых в сосредоточены ионы различных зарядовых состояний оказываются разнесенными в пространстве, причем область локализации ионов буферного газа с максимальным ¡зарядом находятся недостаточно большом расстоянии от фокального пятна, где достигаются наивысшие температуры лазерной плазмы. Дальнейший анализ этого явления проводится для азота при Р*=ЗТор.

В §§4.4 и 4.5, на основании результатов исследования закономерностей изменения разлетных скоростей ионов материала мшени и ионов буферного газа от расстояния до фокального пятна, делает-

также его основных результатов, главна! из которых является наблюдение возбувдения автоиондаацшвных состояний ионов СИ и ОШ в потеке плазмы, вследствие чего вблизи преграда наблюдалась1 интенсивное свечение автоионивациояшх спектральных линяй принадлежащих этим ионам.

В §5.3 исследуется эволюция ионизационных и гидродинамических параметров плазменного потока в процессе его разлета и отолге-новенЕЯ с преградой. Для определения Нв в данном эксперименте использовалось измерение Штарковской ширины спектральной линии (¡VI, Я = 3434 А0 [143. Проведен сравнительный анализ профилей Мв и Те в случае свободного расширения лазерной плазмы и в случае разлета ограниченного цилиндрической преградой. Выяснено, что в потока плазмы налетающем на преграду возникает скачок электронной плотности и температуры параметры которого можно контролировать напуская в вакуумную камеру буферный газ.

Измерения разлетных скоростей ионов мишени в потоке свободно расширяющейся в вакуум плазмы показали, что максимальные значения скоростей имеют ионы 071 и СТ ( V ~ 107см/с), при этом ионы более низких зарядовых состояний СШ и ОН движутся с существенно меньшими скоростями ( V ~ 2* 10бсм/с ■). ..,■

Проведано сравнение разлетных скоростей ионов со скоростью звука в потоке плазмы вблизи преграды и для каждого сорта ионов определены числа Маха. Проведенный гидродинамический анализ.с учетом геометрии столкновения потока с преградой показывает, -что, вблизи нее формируется косая УВ (КУВ) [153, причем основная роль в эе формировании принадлежит наиболее быстрой ионной компоненте, состоя-

III. Основные результаты. I. Экспериментально исследована даяшокд генерации 9лектраионазй-

ч

диокного COg-лазера атмосферного давления с активным объемом. 2?Ол на бвзазотшх смесах с микродобавками S?6 для оптимиванви рабочего значения Е/Р. Для оптимальной ш составу лазерной смеси С02:Не - 1:4 и парциального давления SFg ~ 5«tO~4 Тор водучон однопиковый импульс генерация длительностью го полувыоотэ « ВШс с энергией « 1,5кДк и пиковой мощностью « 151*8?.

Методами голографическсй интерферометрии и спектроскопии с временным и' пространственным разрешением проведаны кошлвканне исследования свойств плазмы создаваемой излучением С02--лакерз с энергетикой ~ 1кДк в импульсе длительностью „ 1мкс при плотности штока 101 3*1011 Вт/см2.

Z. Изучена динамика ионизация разреженных газор (гедюй, аргон Р < 5ОТор) в гиперзвуковых 113, возбуждаемых в результате теплового расширения лазерной искра. Исследован процесс ионизации аргона ( Р«2ОТор) окружающего лазерную искру. Показано, что на больших расстояниях от искры основным каналом ионизации атомов аргона является фотоионизация тепловым континуумом из состояний 5sC3/23° и 3dt3/21°, возбуждаемых линейчатым излучением ионов плазмы Ai'III, ЗзЗр5 3Р1>0--» 3s23p4

3. Исследован процесс турбулизации плазмы оптического разряда в гелии и аргоне при давлениях газа выше <*50Тор. Определен пространственный масштаб турбулентности d и глубина модуляции электронной плотности ANe/Nq (К0-критическая плотность плазмы для грегацвго лазерного излучения). Показано, что среднее значение

Г.П.Кузьмш, Г^Р.Иокер- 4й{шроваи»Ц шмаадч)

СОг-лазер.а о вёсаюсадятадашм раёфидеМ! ркеьме в 'Ж®,;

же, о.ю9в-1095. • '¡V ' -г' ¡1

2. Н.П.Дацкеадч, Н-В.КвряЬв, Л.В'.-йЬвав» Н^'.К^Шйав,'):!'¿У- "• Г.П.Кузьмин, Г.Р.Токэв. йЪгшйошние доульсц генерщэд-Ы^го' С02-лазера с несшастоотвльным разрядом. ''.Сездда доклада-,'!«! : . Всесошной ювфэреяциа "Оптгогалазеров"* Ленивград,' ¿.Е|1». I . 3. Н.П.Дацкевнч, й.Н.Коншо.в» |ЧЛ.Кузьмш»^1-Р»Токбр.« Меток поглощаадих фильтров для определения порога яашриого простая ■]. .., -газов вблизи мишени Краткие сообщения по физике, ИШ, ГЭВё,;)©, С. 35-39.. , • ;

4. Н.И.Двдзевич, Ы.ВДйрлОВ8 Н.НЛ{шонов^^Л1.Кузьмгш', ' ' | Г.Р.Токер. К вопросу а решэоотраненш ояжичаското разряда вбжзк мшени. Квантовая альАтроник-а,'''-1984, Т.П., М», с.853-856.; '

5. Н.П.Двдкевич, Н.В.Карлов,, Н.Н.Кононов, Г.Д.,Кузьмин, уЛ-ь'г.^ А.А.Нестеренко, А.А.Рухадзв, й.М.Ирохоров, Г.РДоквр. . -Исследование пробоя в аргоне и гелни-при низких давлениях . , '\у:. излучением С0£-лазера. ©иаика плазма,. 1964, т,10,.'с.762-768.

' 6. Н.П.Дацкевич, Н.В.Карлов, Н.Н.Кононов, Г.¿.Кузьмин, А.А.Нестеренко, А.Д.Рухадзе, А.М.Прохоров, Г.Р.Токвр. Исследование^ пробоя в аргоне и гелии при низких давлениях излучением С0г-лазера. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по нерезонанйному взаимодействию оптического излучения с веществом. Паланга, 1984, с.347.

, 7. Н.В.Карлов, Н.Н.Кснонов» Г.П.Кузьмин, Н.Г.Орлова, Т.Р.Токар, Голографическая интерферометрия ударных волн, инициированных :

■ /! ! - 25

Eroduced to Hare tías by :ürtf.Ta,ir,tlbii;i

oí IX Europian Sectional Conference, on ¿tóala ml ^íetiú^áp'- '

Physio-of Ionized Gases, Извйоп, Portugal,

. 14. В.А.Бойко, Н.П.Да®<9ВИЧ, .•

Столкновение: штока лазерной цаешш с; кольневой преград^ и возбуждение автоионгшадаонных 'йазтояакй иошв .а косых; ударнйх •волнах. Квантовая электроника,/ 1991 „ ir. 18, Ш, с.232-837Г 15.' В.АЛЗойко, Н.Я.Дадкевич, Н.Н.Нонгазрв, р.П.Кувьмш,; Формирование автоидвкзациоюшх состояний ионов дри стсшгводанак разлетающейся лазерной плазмы с преградой. Тезисы докладов ! "<■, IT Всесоюзного совещания по автояошзаиионным явлениям й атожгх, Москва, 1990, о. 15-16.•

/ 16. V.A.Bpito, N.P.Datskevich, N.N.Iononoir« G.P.Kuz'miri. Collision of the baaeí-Producei Plasma Slow with, a Oilindrical Wall and Excitation oí ths Aütoionizing States oí Iom tn. ' Oblique Shock. Waves. Proceedings of 22 International Conference on Phenomena/in Ionized Gaees. Pis», Italy, 1991, p. 546-547.

17. H.H.Kononov, G.P.Xuz'min, E.A.Yukov. Ionization of Argon by Thermal Hadiationof G02-Laser-Produced Spark. laser Physics, 1993, Y.3, Ú, p.1G19-KE3. .*'

! Цитируемая литература.

Ú,' S.E.Harris, Y.I1.Yung. JOSA В, 1987, т.4, p.547, Z¿ W.T.Silíyast, O.H.Wood II. JOSA В, 1987, v,4, N4, p.609. 3!. Г.А.Аскарьян, И.М.Раевсжий. Письма в ЖГФ, 1982, 8(18), П31. 4.' Г.А.АокарЬЯЕ, В.М.Манзон» Шоьма В ЖГФ, 1982, 8(20),' 1SS&.