Режимы движения плазменных фронтов и динамика спектральных линий при оптическом пробое в газе и на поверхности конденсированных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

БУЛАНОВ Алексей Владимирович

Режимы движения плазменных фронтов и динамика спектральных линий при оптическом пробое в газе и на поверхности конденсированных сред

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток 2009

□034894Т1

003489471

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Букин Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, член - корреспондент РАН Долгих Григорий Иванович

доктор физико-математических наук, доцент

Безвербный Александр Васильевич

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и

распространения радиоволн ДВО РАН

Защита состоится "29" декабря в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д005.007.02 в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН и ИАПУ ДВО РАН

Автореферат разослан «¡¿¿»МоЗ/рЗ-2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д005.007.02

к.т.н., доцент Гамаюнов Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование механизмов лазерного пробоя в газовой атмосфере и на поверхности конденсированных сред является актуальной задачей. Результаты этих исследований используются для решения широкого круга фундаментальных и прикладных проблем: развитие методов разогрева лазерной плазмы, исследование процессов плазмообразования при взаимодействии мощного лазерного излучения с газовыми и конденсированными средами, получение многозарядной высокотемпературной плазмы, развитие методов лазерной искровой спектроскопии, разработка технологий лазерного напыления.

Механизм разлета плазмы (быстрая волна ионизации, светодетонационная волна, сверхзвуковая радиационная волна, пробойная волна, волна механизма электронной теплопроводности) зависит как от параметров лазерной системы (длин волны излучения, энергии и длительности импульса, способа фокусировки), так и от параметров окружающего газа (потенциала ионизации, сечения поглощения и ионизации ультрафиолетовыми квантами и др.)

В последнее время интерес к изучению механизмов движения лазерной плазмы обусловлен созданием лазерных устройств зажигания смесей горючих газов и воздуха, разработкой перенастраиваемых источников микроволнового диапазона, исследованием характеристик лазерной плазмы и взаимодействующих плазменных фронтов, а также коэффициентов поглощения лазерного излучения.

Режим движения плазмы определяет температуру и электронную плотность плазмы. Таким образом, данные исследования важны для разработки новых методов лазерной искровой спектроскопии.

Исследование динамики эмиссионных линий сплошного спектра и линий атмосферы, в которой проводится спектральный анализ, позволяет определить временной интервал, в котором наблюдаются максимальные величины контраст эмиссионных линий исследуемых элементов. Особенно актуальны эти исследования для лазерной искровой спектроскопии жидкостей. Преимуществом данного метода перед другими является возможность дистанционного измерения, отсутствие предварительной подготовки пробы, высокая степень автоматизации эксперимента и возможность определения элементного состава вне зависимости от фазового состояния анализируемого вещества.

Таким образом, цель диссертационной работы заключается в исследовании режимов движения плазменных фронтов и динамики спектральных линий при оптическом пробое газа и на поверхности конденсированных сред. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- Исследовать режим движения разлетающейся плазмы в процессе лазерного пробоя в нормальной атмосфере.

- Изучить распределение интенсивности свечения плазмы в зависимости способа фокусировки лазерного излучения и исследование

спектроскопических параметров плазмы в области взаимодействия двух плазменных фронтов, распространяющихся во встречных направлениях в условиях пробоя нормальной атмосферы.

- Провести исследование временной динамики эмиссионных спектров излучения лазерной плазмы при оптическом пробое в атмосфере и на поверхности конденсированных сред

- Использовать полученные результатов для повышения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии с целью измерения элементного состава конденсированных сред

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Экспериментально и теоретически установлено, что фронт плазмы в нормальной атмосфере, созданный лазерным импульсом первой, второй и третьей гармониками Ш:УАС лазера плотностью мощности больше, чем 101 'Вт/см2, движется в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению.

2. Определены оптимальные условия регистрации спектра, которые позволяют поднять контраст эмиссионных линий, регистрируемых на фоне сплошного спектра при оптическом пробое на поверхности конденсированных сред и в нормальной атмосфере.

3. Выявлены закономерности поведения спектральных линий мультиплетов азота и кислорода в области взаимодействия двух плазменных фронтов.

4. Показаны особенности временной зависимости интенсивности сплошного спектра, линий №, М^, Са и молекулярных полос ОН и СЫ, а также отношения интенсивности линии к фону при оптическом пробое на поверхности морской воды.

5. Разработана методика, позволяющая определить переходы, вносящие значительный вклад в излучение мультиплетов.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть применены на практике для:

- разработки методов управления движением плазменного фронта;

- увеличения чувствительности методов лазерной искровой спектроскопии измерения концентрации элементов;

Результаты работы использовались при выполнении проектов ДВО РАН №09-Ш-В_02-060 "Исследование режимов взаимодействия лазерных плазм генерируемых оптическим пробоем в атмосфере", ДВО РАН № 09-1-П9-01 "Исследование механизмов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с жидкими средами, газами и биологическими объектами с целью разработки новых методов зондирования океана и атмосферы", ДВО РАН № 09-11-СЮ-02-001 "Оптика фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере и океане", НИР № 2.1.1/1443 "Управление плазменным фронтом при оптическом пробое в конденсированных средах и газах" аналитической ведомственной программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)" Федерального агентства по образованию. Часть работы выполнялась в рамках проектов РФФИ №09-02-98508-р_восток_а "Исследование процессов

распространения фемтосекундных лазерных импульсов в морской воде" и № 06-05-96206 "Разработка комплексного оптоакустического метода и новых технологий дистанционного зондирования верхнего слоя океана". В этих НИР автор выполнял обязанности руководителя и исполнителя работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- При оптическом пробое в нормальной атмосфере, генерируемом первой, второй и третьей гармониками Nd: YAG лазера с интенсивностями излучения в диапазоне Ю10 - 1012 Вт/см2 и длительностью лазерного импульса 10 не, наблюдается распространение плазменного фронта в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению.

- При взаимодействии встречных плазменных фронтов оптического пробоя в нормальной атмосфере наблюдается двукратное увеличение интенсивности эмиссионных линий по сравнению с интенсивностью аналогичных спектральных линий в невзаимодействующей плазме.

- Характерное время светимости мультиплетов ионов азота N11 и кислорода OII в спектре оптического пробоя на поверхности жидкости составляет 400 не, что позволяет использовать временную селекцию эмиссионных линий на фоне непрерывного излучения для увеличения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии.

- Наибольшие скорости распространения плазменного фронта при оптическом пробое в газе навстречу лазерному излучению наблюдается в режиме быстрой волны ионизации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 19 конференциях, включая 7 международных:

Публикация результатов работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 33 печатных работах, в том числе 5 - в журналах, входящих в Перечень журналов ВАК.

Личный вклад автора. В составе коллектива авторов участвовал в разработке и проведении всех экспериментов, самостоятельно проводил отдельные экспериментальные исследования по лазерно-искровой спектроскопии, включая исследования в морских экспедициях в Японском и Охотском морях на парусном учебном судне "Надежда" (2004, 2006 г.г.) и малых НИС типа НИС "Малахит" в заливе Петра Великого Японского моря (2007-2009 г.г.). Самостоятельно проводил обработку и анализ полученных измерений, выполнял необходимые теоретические расчеты. Результаты, связанные с исследованиями особенностей динамики эмиссионных спектров, получены при решающем вкладе автора. Все защищаемые научные положения получены при основном вкладе автора. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 132 наименования. Работа представлена на 142 страницах, включая 5 таблиц и 34 рисунка

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и основные задачи исследования, даны основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе представлен обзор литературных данных, механизмов оптического пробоя и современное состояние методов лазерной искровой спектроскопии конденсированных сред. Глава содержит 4 основных параграфа. В параграфе 1.1 представлены основные представления о механизмах оптического пробоя газа, имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе. Представлены данные о динамике пробоя под действием лазерного излучения. Показано, что имеющиеся данные, позволяют отчасти ответить на основной вопрос о том, как происходит ионизация газа лазерным лучом, при этом сформулированы ограничения имеющихся представлений.

В параграфе 1.2 рассмотрены основные физические механизмы оптического пробоя на поверхности конденсированных сред. Показано, что в зависимости от интенсивности лазерного излучения (I) выделяют основные четыре стадии взаимодействия с металлами: а) поглощение излучения поверхностным слоем с последующим плавлением (диапазон значений интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени 104- 106 Вт/см2);б) нагрев поверхности до температуры кипения, испарение и разлет прозрачных паров вплоть до момента лазерного пробоя (/ ~ 106 - 108 Вт/см2); в) лазерный пробой и образование плазмы (/ >107 - 109 Вт/см2); г) образование волны поглощения лазерного излучения и формирование ударно-волновой структуры в результате разлета плазмы в буферный газ (I ~ 107- 109 Вт/см2). Отмечено, что механизм оптического пробоя при облучении мощным лазерным излучением жидкостей существенным образом отличается от механизма взаимодействия лазерного излучения с металлами. В зависимости от интенсивности лазерного излучения различают несколько механизмов взаимодействия излучения с жидкостью: а) тепловое расширение; б) поверхностное испарение I < 10б Вт/см2; в) взрывное вскипание (10б < I < 108 Вт/см2); г) оптический пробой (I > 108 Вт/см2).

Во второй главе представлены экспериментальные и теоретические исследования режимов распространения плазменных фронтов при оптическом пробое.

В параграфе 2.1 представлено описание экспериментальной установки и методики эксперимента. Для возбуждения оптического пробоя использовалась первая, вторая и третья гармоники излучения Nd:YAG лазера Brilliant В с различными плотностями мощности падающего излучения при длительности лазерного импульса 10 не соответственно, фокусное расстояние линз 15 мм, импульс одномодовый с Гауссовским распределением интенсивности излучения относительно направления распространения, радиус пучка 6 мм, расходимость пучка менее 0,7 мрад. Излучение лазера "Brilliant В" (1) с помощью поворотного зеркала (2) и линзой (3) фокусировалось в нормальной атмосфере. Излучение плазмы оптического пробоя проецировалось линзой (6)

на входную щель монохроматора (7), сопряженного с CCD - камерой (5). Управление осуществлялось компьютером (8).

Во всех экспериментах в качестве регистрирующего устройства применялся многоканальный оптический анализатор спектра Flame Vision PRO System, состоящий из монохроматора SPECTRA-PRO фирмы Acton Research Corporation (США) и оптического усилителя яркости DiCAM-PRO фирмы PCO CCD IMAGING (Германия). Эта универсальность достигалась за счет того, что прибор позволяет производить все необходимые спектральные измерения, а также может использоваться в качестве цифровой фотокамеры с высоким пространственным и временным разрешением. Это позволило исследовать динамику ударных волн и режимы распространения плазменных фронтов, рассмотреть их взаимодействие, выявить некоторые характерные особенности и провести спектральные измерения в заинтересовавших нас пространственных и временных областях.

В параграфе 2.2 представлены экспериментальные результаты по распространению плазменных фронтов при оптическом пробое воздуха. Пробой воздуха наблюдается, как правило, через 1-2 не от начала лазерного импульса. После начала пробоя расширение плазменного факела происходило, в основном, в направлении навстречу лучу, но наблюдалось движение фронта и в направлении распространения луча. Такая картина типична для всех длин волн.

Табл. 1. Зависимость максимальной скорости плазменного фронта от плотности мощности падающего излучения.

Плотность мощности падающего излучения, 10й Вт/см2 1.85 1.77 1.71 1.61 1.41 1.21 0.89 0.54 0.31

Максимальная скорость, км/с 279 249 227 200 188 180 160 145 105

В итоге можно отметить следующие закономерности в поведении скоростей плазменных фронтов:

- скорость движения навстречу лазерному лучу практически в три раза превышает скорость движения по лучу;

- характер временных зависимостей скоростей движения фронтов различен в зависимости от направления распространения фронта. Для направления по лазерному импульсу наблюдается резкое падение величины скорости (практически в пять раз) сразу после начала регистрации (после 3 не с момента пробоя). Для направления навстречу лазерному лучу наблюдается иная картина, - в промежуток времени от 4 до 5 не от момента пробоя наблюдается максимум скорости.

В параграфе 2.3 представлен теоретический анализ волн поглощения лазерного излучения с целью выявления механизма распространения плазмы навстречу лазерному излучению. Анализ выполнен на примере оптического пробоя лазерным излучением с длиной волны X = 1.06 цт в нормальной

атмосфере при интенсивиостях применяемого лазерного излучения - 5* 108-1111 Вт/см2. Задача определения механизма распространения плазмы сводится к сравнению скоростей для трех режимов: светодетонационного, радиационного и быстрой волны ионизации - СДВ, СРВ, БВИ. Если при данной интенсивности лазерного излучения один из этих механизмов обеспечивает наибольшую скорость распространения разряда, то плазма движется навстречу лазерному излучению именно в этом режиме. Выражение для скорости волны световой детонации от интенсивности лазерного излучения представлена формулой:

"2(г2 -1 )/"

D =

(1)

где £> - скорость движения фронта, у - показатель адиабаты, / - интенсивность лазерного излучения, необходимая для поддержания режима световой детонации, р - плотность газа перед фронтом световой детонации.

Нижняя граница скорости БВИ находится из соотношения, полученного В.М. Фишером, В. М. Харашем (ЖЭТФ , 1983):

и, = -

zNn

jdejdfi

L'FCO(£)

I = 2N0ue(m,T), Fs

10

(2)

•0 £, 0

Здесь jV0 - число Лошмидта, е(т ,Т) - внутренняя энергия газа за фронтом (в расчете на 1 исходный атом), т(Т) - средний заряд плазмы, £,• - энергия УФ кванта, соответствующего порогу ионизации молекулы кислорода, z, Fe -степень ионизации и поток ионизирующих УФ квантов на границе фронта ионизации, /; = cosi9, ст(е) = 0.21сг,.0] (е) + 0.79cr,Wj (е) - суммарное сечение фотоионизации воздуха (ai02(E) и a,V2 (е) - сечения ионизации молекулярного кислорода и азота), ал(е) - суммарное сечение поглощения воздуха, определяемое аналогично сечению фотоионизации.

На рис. 1 представлены результаты расчетов скоростей фронта ионизации для трех режимов: СДВ, СРВ, БВИ. Скорость СДВ рассчитывалась по соотношению (1). Нижняя граница скорости БВИ определялась трижды: при R = 0.15 и R = 0.01 см, в обоих случаях z= 3-Ю"2, на основе (2), при х = 0 и для равновесного потока при z= 10"3.

—БВИ, раиноосспый поток. 1

— РолнацнонпыП риким, ра[июв«сиый поток -2

- ПВМ, г= 0.15 см - 3

- БВИ,г-0.01 см -4

— Радиационный режим, г» 0.01 см - S ■ СДВ - 6

-К ■ 0.13 см . R-0U2C* -R-0.01 см . 3S5 mt'R " 0.01 см 1.064 и«, 360 мДж

Рис. 1 Скорости

распространения фронта

ионизации, кривые - расчет, символы - данные экспериментов. 1 - нижняя граница скорости для БВИ ( г= 10"\ равновесный поток), 2 - радиационный режим (20= 3-Ю"2, равновесный поток), 3- БВИ (г=3-10-2, Л = 0.15), 4 - БВИ 3*10 "2, = 0.01), 5 - радиационный

режим (zo=3-10'2, R =0.01), штрих пунктирная кривая - СДВ. ■ - скорость БВИ, Л = 0.15, А -БВИ, R = 0.02, • - БВИ, R ~ 0.01, О - БВИ, 355 нм, R = 0.01, □ -БВИ, 1064 нм, R = 0.01

На основании сравнения экспериментальных и теоретических результатов для условий проведенных экспериментов можно утверждать, что механизм распространения плазменного фронта навстречу излучению отвечает режиму быстрой волны ионизации (на рис.1 кривая БВИ при R=0.01 см совпадает с экспериментальным значением скорости фронта). Малые скорости БВИ и увеличение степени ионизации на границе фронта до z ~ 10'2 при R = 0.01 см объясняются тем, что поток ионизирующего излучение ниже равновесного. При таких малых пятнах фокусировки становятся существенными диффузные потери электронов. При пробое короткими лазерными импульсами БВИ не успевает выйти на стационарный режим распространения. При R = 0.15 см поток ионизирующего излучение является равновесным, но наименьшие скорости наблюдаются при переходе от тонких нитей к нитям большего диметра и сплошным мишеням. Это, возможно, связано с увеличением времени образования плазмы при пробое на тонких нитях излучением с большим диаметром пятна фокусировки (что приведет к увеличению времени формирования БВИ), а также с ростом рекомбинационных потерь электронов.

Таким образом, использование систем неравенств и уравнений позволило определить режим распространения плазменного фронта для заданных экспериментальных условий. Минимальные скорости БВИ, соответствующие неустановившемуся режиму, будут наблюдаться при пробое на мишени остросфокусированными лазерными импульсами, длительность которых совпадает с временем формирования БВИ. Для установившегося режима БВИ характерны наибольшие скорости распространения, малая степень ионизации и температура за фронтом по сравнению с другими механизмами. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению интенсивности сплошного спектра и увеличению контраста эмиссионных линий, а, следовательно, - и к увеличению чувствительности лазерной искровой спектроскопии.

В параграфе 2.4 представлены результаты исследований оптического пробоя на поверхности твердого тела. Для возбуждения оптического пробоя использовались первая гармоника Nd:YAG лазера Brilliant В с энергией в импульсе 360 мДж при длительности лазерного импульса 6 не, фокусное расстояние линзы 100 мм. Плотность мощности лазерного излучения на поверхность мишени составляла величину ~5-Ю10 Вт/см2. Положение фронтов определялось по изображению плазменного факела, полученного на оптическом многоканальном анализаторе спектров "Flame Vision Pro System", который обеспечивал разрешении не хуже 3 не.

Чтобы обеспечить раздельное наблюдение движения вещества, вызванное процессами пробоя и взрывного вскипания, излучение направлялось на мишень под углом порядка 45° к нормали. При этом наблюдалось движение вещества против возбуждающего луча (режим светодетонации) и движение перпендикулярно поверхности мишени, вызванное взрывным вскипанием.

На рис.2 показано развитие плазменного фронта и фронта абляции при возбуждении оптического пробоя лазерным излучением с различными задержками относительно начала пробоя.

Было показано, что скорость фронта пробоя превышает скорость фронта взрывного вскипания в области абляции. Предложенный механизм на основе светодетонационной волны для области пробоя и на основе уже остывшей плазмы на больших задержках относительно начала пробоя для области абляции объясняет превышение концентрация атомов в фронте пробоя над концентрацией ионов в области взрывного вскипания.

Рис.2. Эволюция плазменного фронта и фронта абляции при различных задержках относительно начала пробоя: 1) 10 не, 2) 30 не, 3) 90 не, 4) 140 не, 5)

200 не, 6) 320 не.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований динамики спектров оптического пробоя в нормальной атмосфере и на поверхности твердого тела. В параграфе 3.1 представлены результаты исследований динамики эмиссионных спектров атмосферных газов при пробое в нормальной атмосфере Возбуждение оптического пробоя осуществлялась на длинах волн 532 и 1064 нм. При исследовании динамики эмиссионных линий лазерной плазмы измерения проводились в первом порядке дифракции, в монохроматоре SPECTRA-PRO использовалась решетка 1200 штр./мм, ширина аппаратной функции монохроматора 1 Â при ширине щели 0,02 мм. Эмиссионные линии излучения лазерной плазмы измерялись в спектральном диапазоне от 300 нм до 800 нм. Для анализа спектров оптического пробоя были выбраны три спектральных диапазонах, где зарегистрированы наиболее интенсивные мультиплеты атмосферных газов N11 333, N11 500, 01 777 нм.

На рис. 3 и рис.4 представлена динамика спектральных атомарных и ионных линий азота в диапазоне 300-375 нм, полученная при оптическом пробое, генерируемая на длинах волн 532 и 1064 нм, соответственно.

1064 пт

М, н, 337.13 N.

326.8 \

зоо ззо X, пт 360

Рис. 3. Динамика спектральных атомарных и ионных линий азота в диапазоне 300-375 нм, полученная при оптическом пробое,

генерируемая на длине волны 532 нм

ЗЗ.В / 344.8 /

№

пт

Рис. 4. Динамика спектральных атомарных и ионных линий азота в диапазоне 300-375 нм, полученная при оптическом пробое, генерируемая на длине волны 1064 нм

Из рис. 3 и рис. 4 видно, что в течение первых сотен наносекунд в спектре плазмы регистрируется интенсивное излучение сплошного фона и мультиплетов азота и кислорода, затем в течение нескольких сотен наносекунд сплошной фон быстро спадает, при этом исчезает большая часть мультиплетов и остаются только наиболее интенсивные эмиссионные линии азота на длинах волн 333 и 343.7 нм.

Рассмотрим динамику спектров лазерного пробоя атмосферы в зависимости от времени t от начала пробоя. Для t = 2 не на фоне интенсивного сплошного спектра выделяются молекулярные полосы, соответствующие излучению молекулярного азота (кривая 1). При t - 10 не наряду с молекулярными полосами наблюдается провал интенсивности сплошного спектра с минимумом на X = 340-350 нм (кривая 2). Данный эффект регистрируется при 3 < t < 200 не. Через t = 50 не регистрируемый спектр, скорее всего, обусловлен суперпозицией излучения атомов, молекул и сплошного спектра (кривая 3). Провал интенсивности сплошного спектра можно объяснить поглощательными переходами с возбужденных колебательно-вращательных уровней основного электронного состояния и с возбужденных электронных состояний молекул атмосферных газов. Они и приводят к фотодиссоциации молекул. Такое объяснение справедливо и в нашем случае, т.к., во-первых, зарегистрировано поглощение на линии 01 777, во-вторых, механизм переноса плазменного фронта - быстрая волна ионизации, для которой фотоионизация атмосферных газов играет существенную роль. Начиная с / = 200 не (кривая 4 на рис. 5), провал интенсивности сплошного спектра пропадает, отсутствуют также молекулярные полосы. В остальных

исследуемых спектральных диапазонах молекулярные полосы и провал интенсивности сплошного спектра не были зарегистрированы. Отметим также, что мультиплет N11333 наблюдается до времени t = 500 не, мультиплет N11 500 наблюдается на временном интервале 15 не < t < 5 мке, мультиплет 01 777 на временном интервале 60 не < / < 20 мкс.

Рис. 6. Динамика мультиплета N11 333 Рис. 5. Динамика эмиссионных нм и фона при взаимодействии лазерных линий при оптическом пробое газа плазм: а - нет взаимодействия, б -на длине волны 344 нм взаимодействие при различном

расстоянии между пробоями

В параграфе 3.2 представлены результаты исследований динамики свечения сплошного и эмиссионного спектров лазерной плазмы. Во взаимодействующем режиме были проведены измерения интегральной (по спектру) светимости лазерной плазмы в зависимости от расстояния между точками фокусировки d, а также исследована динамика свечения сплошного и эмиссионного спектров лазерной плазмы. Можно выделить три области взаимодействия, I, II и III, соответственно. Первая пространственная область соответствует случаю, когда взаимодействующие плазменные факелы движутся в направлении распространения своего луча в режиме СДВ. Одной из характерных особенностей второй пространственной области является образование единого плазменного факела. Третья пространственная зона соответствует случаю, когда существуют два ярко выраженных плазменных факела, движущихся навстречу лазерному излучению в режиме быстрой волны ионизации. В этой области наблюдается увеличение интегральной интенсивности свечения плазмы до 85%.

В параграфе 3.3 представлены результаты исследований особенностей пространственно-временной динамики спектров взаимодействия лазерных плазм. Была изучена динамика профиля интенсивности излучения мультиплета однократно ионизованного азота N11 500 нм для трех пространственных зон и случая невзаимодействующих плазм, которые представлены на рис. 6. Характеристики сплошного и линейчатого спектров значительно различаются в зависимости от степени взаимодействия лазерных плазм. Характерное время спада интенсивности сплошного спектра увеличивается от 50 нс до 150 не,

максимум интенсивности мультиплета N11 500 смещается от временного интервала 50 < t < 150 не к 100 < / < 200 не при переходе от случая невзаимодействующих плазм к взаимодействию в 3-ей или 1-ой пространственной зоне. При этом взаимодействие плазм в этих зонах сопровождается появлением «горба». Данная особенность наиболее выражена в 1-ой пространственной зоне на временном интервале 50 < / < 200 не в распределении сплошного спектра, и для t >150 не в распределении интенсивности мультиплета.

Полученные результаты показывают, что спектральные и временные характеристики при взаимодействии лазерных плазм значительно отличаются от случая невзаимодействующей плазмы при лазерном пробое в нормальной атмосфере. В структуре взаимодействующих плазм выделяются три пространственные зоны, определяемые механизмами распространения плазменного фронта. Наблюдается увеличение интегральной интенсивности излучения, интенсивностей линейчатого и сплошного спектров, но таким образом, что отношение интенсивности эмиссионной линии к интенсивности фона возрастает в два раза. При этом зарегистрировано значительное увеличение временного интервала, когда наблюдаются большие значения величины отношения интенсивностей.

Четвертая глава посвящена использованию метода лазерной искровой спектроскопии для определения спектральных характеристик плазмы на поверхности жидкости.

В параграфе 4.1 приведены результаты исследования динамики сплошного спектра, эмиссионных линий Na, Mg, Са и молекул ОН, CN на временном интервале 0 < tA < 30 мке, проведено сравнение с ранее полученными результатами.

В области 375-390 нм зарегистрированы интенсивные линии поглощения НI и полосы CN, которые могут исказить результаты спектрального анализа морской воды и элементов загрязнителей, т.к. в этой области находятся интенсивные линии CI II386, Fe 1386, Ва 1388.9, Pb I 374 нм.

Показано, что временная зависимость отношения интенсивности линий к фону (см. рис.7), интенсивности сплошного спектра, линий Na, Mg и молекулярных полос, аппроксимируется

экспоненциальной зависимостью с двумя характерными временами, интенсивности линии Са - с одним характерным временем. При задержке регистрации относительно лазерного импульса ~ 1 мке и времени регистрации ~ 30 мке можно ожидать близких по величине значений МОК для резонансных дублетов ионов Са и Mg.

Рис. 7. Временная зависимость отношения интенсивности линии к

В параграфе 4.2 показана динамика интенсивности мультиплетов ОН и N11. Мультиплет 314 высвечивается и гаснет раньше остальных, что обусловлено высокими значениями энергий верхних уровней излучаемых переходов (см. рис.8). Мультиплеты 302 и 315 имеют похожее увеличение интенсивности до точки максимума, т.к. при 100 ns основной вклад в излучение обусловлен высокорасположенными уровнями, но затем наблюдается медленный спад интенсивности мультиплета 302, т.к. при t&> 100 ns существенный вклад в излучение вносит нижерасположенный переход N11. Для мультиплета Oil 435 и мультиплетов с низко расположенными излучательными переходами N11 302, 400, 568, 594 характерны длительные времена высвечивания, дольше всех наблюдаются линии с самыми низкими энергиями верхних уровней N11 400 и 568. Для этих мультиплетов наблюдается идентичная динамика интенсивности излучения, что обусловлено почти равными энергиями уровней. Такой же характер излучения наблюдается для мультиплетов N11 594 и ОН 435, хотя максимальная разница энергий верхних уровней 5.3 eV. Для мультиплетов N11 568 и 594 зарегистрировано различие времен максимальной интенсивности ti= 100 и 160 ns, соответственно, что говорит о наличии рекомбинационного каскада. Для мультиплетов ОН 407 и 435 такого эффекта не наблюдается. Возможно, это связано с тем, что различие времен максимального контраста для мультиплетов ОН меньше шага изменения /d, равного 50 ns. Возможно также, что в излучение мультиплета ОН 435 вносит основной вклад переход О II 3/)'2D°-3s,2D при U< 200 ns, энергия верхнего уровня которого совпадает с энергией верхнего уровня ОН 407. В этом случае поведение мультиплетов NII594 и ОН 435 должно быть похожим, в силу разности потенциалов ионизации ионов ОН и N11 35.1 и 29.6 eV, соответственно, т.к. разница энергий верхних уровней совпадает с разницей потенциалов ионизации ионов.

Таким образом, с использованием динамики интенсивности излучения нескольких мультиплетов, значения сил осцилляторов и энергий уровней, возможно определить переходы, вносящие значительный вклад в излучение мультиплетов. Большая часть мультиплетов N11 и ОН практически исчезает при t,x= 500 ns, такая задержка регистрации спектра пробоя позволит избежать наложения линий мультиплетов на линии исследуемых элементов.

О S0 100 1S0 200 250 300 350 400 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Рис. 8. Динамика нормированной на максимальное значение интенсивности линий и мультиплетов

о

В параграфе 4.3 проведен сравнительный анализ между измерениями интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества (ИФРОВ) на спектрах флуоресценции морской воды и интенсивностью линии углерода в эмиссионных спектрах лазерного пробоя на поверхности морской воды по данным двух экспедиций: в эстуарии реки Амур в июне 2006 года и по маршруту вокруг острова Сахалин в июле-августе 2006 года. Выбранные для анализа районы интересны с той точки зрения, что содержат ярко выраженные случаи, где РОВ определялось только процессами жизнедеятельности фитопланктона (шельф о. Сахалин), и воды, в которых преобладало РОВ терригенного происхождения (эстуарий реки Амур).

Линейная зависимость между ИФРОВ при возбуждении зеленым излучением и интенсивностью эмиссионной линии углерода наблюдалась только в районах, где процессы воспроизводства РОВ определялись функционированием фитопланктонных сообществ. Линейная связь между 2355 и Ст присутствовала в большинстве районов, что говорит о том, что изменения в содержании общего углерода на исследуемых акваториях происходили в связи с изменениями флуоресцирующей части общего РОВ.

Метод лазерной искровой спектроскопии позволяет проводить анализ содержания общего углерода в морской воде, а метод лазерно-индуцированной флуоресценции дает возможность исследовать углерод, содержащийся во флуоресцирующей части РОВ и изучать процессы воспроизводства РОВ, его трансформации и деградации в морской воде. С помощью использования зеленого лазерного возбуждающего излучения в методе ЛИФ можно выделить сигнал «молодого» РОВ, связанного с жизнедеятельностью клеток фитопланктона, которые являются основным производителем органического вещества и одним из основных поглотителей углекислого газа в океане. Совместное использование методов ЛИС и ЛИФ морской воды позволяет оперативно получать дополнительную информацию по содержанию, природе происхождения и типу углеродосодержащих веществ в морской воде, а также по процессам переносящих углерод из одних геохимических резервуаров в другие.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Экспериментально установлено и теоретически обоснованно, что фронт плазмы в нормальной атмосфере, созданный лазерным импульсом первой, второй и третьей гармониками Ш:УАО лазера плотностью мощности больше чем Ю10 Вт/см2, движется в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению.

При взаимодействии встречных плазменных фронтов оптического пробоя в нормальной атмосфере наблюдается двукратное увеличение интенсивности спектральных линий мультиплетов азота по сравнению с интенсивностью линий в невзаимодействующей плазме. Экспериментально выявлено, что характерное время светимости мультиплетов ионов азота N11 и кислорода ОН в спектре при оптическом

пробое на поверхности жидкости равно 400 не, что позволяет использовать временную селекцию регистрацию линий исследуемых элементов для повышения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии.

Экспериментально показано, что при оптическом пробое газа импульсами модулированной добротности Nd:YAG лазера наблюдается режим быстрой волны ионизации, который характеризуется наибольшими скоростями распространения плазменного фронта по сравнению с другими режимами распространения лазерной плазмы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В журналах, входящих в перечень ВАК:

1. O.A. Букин, A.A. Ильин, И.Г. Нагорный, А.Н. Павлов, A.B. Буланов. "Особенности взаимодействия встречных плазменных фронтов при лазерном пробое в нормальной атмосфере."//Письма в ЖТФ, том 32, выпуск 13 (2006), с. 32-37;

2. O.A. Букин, A.A. Ильин, Ю.Н. Кульчин, И.Г. Нагорный, А.Н.Павлов, А.В.Буланов "Взаимодействие лазерных плазм при оптическом пробое газа в нормальной атмосфере.'У/Квантовая электроника, 36, 6 (2006), с.553-556;

3. A.A. Ильин, O.A. Букин, A.B. Буланов. Режимы движения лазерной плазмы при оптическом пробое в нормальной атмосфере. // ЖТФ. - 2008. - Т. 78, выпуск 6. - С. 20-24.

4. A.A. Ильин, O.A. Букин, A.B. Буланов, И.Г. Нагорный, С.С. Голик, E.H. Бауло. Спектрально - временные характеристики плазмы, генерируемой на поверхности морской воды наносекундным лазерным импульсом.// Оптика атмосферы и океана, 2009. Т.22, № 7. С.705-709

5. Букин O.A., Салюк П.А., Майор А.Ю., Голик С.С., Ильин A.A., Буланов A.B., Бауло E.H. Использование методов лазерной спектроскопии при исследовании элементов углеродного цикла в океане. // Оптика атмосферы и океана, - 2009. - Т. 22, Кг 12.

В журналах, не входящих в перечень ВАК

1. Букин O.A., Буланов A.B., Боровой Д.И., Буланов В.А., Корсков И.В.Доротенко А.А, Майор А.Ю., Попов П.Н., Салюк П.А., Стороженко A.B. Исследования структуры мелкомасштабных неоднородностей в шельфовой зоне методами акустического зондирования и лазерной флуориметрии // Подводные исследования и робототехника, №2(6). 2008. с.64-74

В трудах и тезисах докладов конференций:

1. Alexey A. Ilin, Sergey S. Golik, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Improving sensitivity of laser-induced breakdown spectroscopy using laser plasmas interaction."// Proceedings SPIE Vol. 6522 65220Z (2006);

2. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma. "// International Conference High-Power Laser Ablation. Taos, New Mexico USA. 7-12 May 2006;

3. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma."// Proceedings SPIE Vol. 6261 626120 (2006);

4. Alexey A. Ilin, Sergey S. Golik, Ivan G. Nagomy and Alexey V. Bulanov. "Sensitivity improving of laser-induced breakdown spectroscopy method at laser plasmas interaction."// Proceedings of XIII International Symposium Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric physics. 2006. p.98;

5. Буланов A.B. "Механизм распространения плазменного фронта при оптическом пробое газа". Тезисы докладов. XI конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов. ПДММ-2007. Владивосток 13 -16 июня 2007г. с. 99-105;

6. A.V.Bulanov, P.A.Salyuk, A.A.Il'in, O.A.Bukin, S.S.Golik. "Laser spectroscopy methods in sea water organic matter researches."// Proceedings of IV International Conference "Current problems in Optics of Natural Waters." ONW-2007. Nizhny Novgorod, Russia. 11-15 September 2007. p.224-229;

7. Alexey A. .Il'in, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Time-resolved measurements of laser plasmas interaction during breakdown in normal atmosphere by various wavelengrh Absorption waves interaction in gas and plasma."// Proceedings SPIE Vol. 6735 673514 (2007);

8. A.V.Bulanov, A.A.Il'in. "Peculiarites of waves of laser radiation absorption at gas optical breakdown."// Труды X конференции молодых ученых "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы". БШФФ-2007. Иркутск, Russia 17-22 сентября 2007 г. р.259-261;

9. Буланов А.В., Ильин А.А. "Спектроскопия лазерного пробоя на поверхности жидкости ". Труды конференции. XII конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов. ПДММ-2009. Владивосток 17 -20 июня 2009 г. с. 342-347;

10. Нагорный И.Г., Буланов А.В, Ильин А.А. "Особенности раздельного движения плазменного фронта в режиме оптического пробоя и взрывного вскипания на поверхности металла."// Труды конференции. XII конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов. ПДММ-2009. Владивосток 17 - 20 июня 2009 г. с. 350-354;

11. Буланов А.В. "Динамика движения фронтов лазерной плазмы при оптическом пробое газа."//Тезисы докладов. 12 Всероссийской научной

конференции студентов - физиков. ВНКСФ - 12. Новосибирск. 2006 г. с. 342-343.

12. Буланов А.В. "Механизм распространения оптических разрядов в воздухе."//Тезисы региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 15-17 ноября_2006 г. с. 110

13. Буланов А.В. "Экспериментальное исследование механизмов преобразовании энергии лазерного излучения при оптическом пробое на границе жидкости и газа."//Материалы докладов 5 региональной научной конференции. Хабаровск, 25-27 октября 2005 г. с.89;

14. Alexey A. Ilin, Sergey S. Golik, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Sensitivity improving of laser-induced breakdown spectroscopy method at laser plasmas interaction."// Proceedings of XIII International Symposium Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric physics. 2006. p.98;

15. Salyuk P.A., Ilin A.A., Golik S.S., Bukin O.A., Bulanov A.V. "Investigation of Dissolved Organic Matter In Seawater By Laser-Induced Fluorescence And Laser-Induced Breakdown Spectroscopy."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99;

16. A.A.Il'in, O.A.Bukin, A.V.Bulanov, I.G.Nagomy. "Time-Resolved measurements of Laser Plasmas Interaction During Breakdown in Normal Atmosphere by Various Wavelengths."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99;

17. Буланов А.В. "Механизм распространения волн поглощения лазерного излучения в воздухе."// Тезисы докладов. 13 Всероссийской научной конференции студентов - физиков. ВНКСФ - 13. Ростов на Дону. 2007 г. с. 302-303;

18. Буланов А.В., Шмирко К.А. Дорошенков И.М. "Применение ЛИС и ЛИФ спектроскопий для анализа биооптических характеристик морских вод в устье реки Амур и в районе Охотского моря."// Тезисы докладов. 13 Всероссийской научной конференции студентов - физиков. ВНКСФ - 13. Ростов на Дону. 2007 г. с. 390-392;

19. Shmirko К.A., Salyuk P.A., Bulanov A.V., Glazkov M.N. "Interactive system for data analysis (ISAD) for FEB RAS CCU in laser researches (LR) of environment ". // Proceedings of International conference and Young Scientists School on Computer Information Technologies for Environment Sciences. Cites - 2007. Tomsk, Russia. 21-25 July 2007. p. 56; ,

20. Салюк П.А., Ильин A.A., Буланов А.В. "Исследование органического вещества в морской воде методами лазерной спектроскопии". Тезисы докладов конференции молодых ученых Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева. Океанологические исследования. Владивосток 21 - 25 мая 2007г. с. 27-29;

21. Буланов А.В. "Механизм распространения плазменного фронта при оптическом пробое газа". Тезисы докладов. XI конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов. ПДММ-2007. Владивосток 13 -16 июня 2007г. с. 99-105;

22. Салюк П.А., Буланов А.В. "Использование оптических методов для исследования циклов углерода в океане."//Тезисы докладов 10 Международной Бакальской молодежной научной школе по фундаментальной физике. "Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы". БШФФ-2007. Иркутск, 17-22 сентября 2007 г. с. 91;

23. A.A.Il'in and A.V.Bulanov. "Spectral characteristics of laser plasma induced in air and on the liquid surface in the 180 - 240 nm region."// Proceedings of XV International symposium. Atmospheric and ocean optics/ Atmospheric physics. Krasnoyarsk, Russia. 22-28 July 2008. p. 57;

24. A.A.Il'in, A.V.Bulanov and I.G.Nagorny. "Regimes of plasma expansion at optical breakdown by 355 and 1064 nm laser wavelength."// Proceedings of XV International symposium. Atmospheric and ocean optics/ Atmospheric physics. Krasnoyarsk, Russia. 22-28 July 2008. p. 58;

25. Salyuk P.A., Bukin O.A., Mayor A.Yu., Il'in A.A., Bulanov A.V. Differences in the fluorescence of dissolved organic matter in seawater induced by UV and green radiation // Ocean Optics XIX, 6-10 October 2008, Tuscany, Italy. Tuscany, 2008. P. 98.

26. A.V.Bulanov, P.A.Salyuk, A.A.Il'in, S.S.Golik. "Application of efficient optical methods for determination of some major chemical components in seawater and phytoplankton." // Proceedings of PICES 17th Annual Meeting."Beyond observations to achieving understanding and forecasting in a changing North Pacific: Forward to the FUTURE". PICES-2008. Dailian, PR China. October 24-November 2,2008. p. 31

27. Ильин A.A, Буланов А.В. "Динамика эмиссионных линий и мультиплетов лазерной плазмы, генерируемой на поверхности морской воды". Тезисы конференции Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток 27-29 апреля 2009 г. С. 73

Буланов Алексей Владимирович

Режимы движения плазменных фронтов и динамика спектральных линий при оптическом пробое в газе и на поверхности конденсированных сред

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

Подписано к печати Усл. п. л. 1,0 Уч.- изд. л. 0,8 Формат 60x84/16_Тираж 100_Заказ 50

Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5 Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5

Введение

Глава 1 Динамические и спектральные параметры плазмы при оптическом пробое газа и на поверхности конденсированных сред

Обзор)

1.1 Механизмы оптического пробоя газа

1.2 Механизмы нагрева плазмы при оптическом пробое газа

1.3. Механизмы переноса энергии при оптическом пробое газа

1.4. Физические механизмы оптического пробоя на поверхности конденсированных сред

1.5. Пространственно-временные параметры эмиссионных спектров 43 лазерной плазмы

1.6. Лазерная искровая спектроскопия: метод и технические средства

Глава 2 Экспериментальное и теоретическое определение режимов распространения плазменных фронтов при оптическом пробое

2.1 Экспериментальная установка и методика эксперимента

2.2 Экспериментальные результаты по распространению плазменных фронтов при оптическом пробое воздуха

2.3 Теоретический анализ волн поглощения лазерного излучения. Сравнение с экспериментальными данными

2.4 Оптический пробой на поверхности твердого тела

Глава 3 Спектральные характеристики лазерной плазмы при оптическом пробое в нормальной атмосфере

3.1 Динамика эмиссионных спектров атмосферных газов при пробое в нормальной атмосфере

3.2 Основные результаты исследования динамики свечения сплошного и эмиссионного спектров лазерной плазмы

3.3 Особенности пространственно-временной динамики спектров взаимодействии лазерных плазм

Глава 4 Использование лазерной искровой спектроскопии для определения спектральных характеристик плазмы на поверхности жидкости

4.1 Спектральные характеристики лазерной плазмы, генерируемой на поверхности жидкости (морской воды) при наносекундном возбуждении

4.2 Временные характеристики излучения мультиплетов азота и кислорода при лазерном пробое на поверхности морской воды

4.3 Экспериментальное применение метода лазерной-искровой спектроскопии

Основные результаты работы

Образование плазмы под воздействием мощного лазерного излучения получило название оптического (лазерного) пробоя [1-4]. Кроме задач прикладного характера, в физике оптического пробоя стоят проблемы, связанные с получением высокотемпературной плазмы. Большинство работ в этой области посвящено проблеме получения управляемого термоядерного синтеза [5].

Для получения высокотемпературной, плотной плазмы рядом авторов [6 -8] используется взаимодействие встречных плазменных фронтов. Интерес к исследованию режимов движения плазменных фронтов, а так же процессов их взаимодействия при лазерном пробое объясняется различными причинами. Прежде всего, результаты такого взаимодействия зависят от режимов движения взаимодействующих плазм. Взаимодействие встречных плазменных фронтов должно приводить к изменению термодинамических параметров плазмы и к непосредственному увеличению электронной и ионной температур, а так же плотности плазмы в областях взаимодействия. Взаимодействие фронтов лазерной плазмы используется так же в работах, направленных на повышение контраста эмиссионных линий элементов на фоне непрерывного излучения лазерной плазмы. Чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии определяется контрастом регистрируемых линий, который можно значительно повысить, используя механизмы взаимодействия плазменных фронтов. В работах [9, 10] предложена и реализована методика двух и многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы, которая обеспечивает значительное увеличение чувствительности метода. Непосредственное увеличение интегральной интенсивности излучения лазерной плазмы в зоне взаимодействия двух встречных плазменных фронтов, распространяющихся в режиме световой детонации, при многоимпульсном возбуждении лазерного пробоя на поверхности твердой мишени, наблюдалось в работе [11].

Режимы распространения плазменных фронтов сильно зависят от условий возбуждения пробоя, плотности мощности лазерного излучения, вызывающего оптический пробой, от длины волны лазерного излучения, в поле которого происходит распространение плазменного факела. Результат взаимодействия двух встречных лазерных фронтов так же сильно зависит от многих факторов, и, прежде всего, от режимов движения плазмы и параметров лазерного излучения, в поле которого происходит пробой.

Исследование механизмов лазерного пробоя позволило решить ряд проблем прикладного характера. В частности появления метода лазерной искровой спектроскопии (ЛИС, или LIBS в англоязычной литературе) [1] позволило более оперативно определять концентрацию элементов жидкостей и конденсированных сред. Метод ЛИС обладает несомненными преимуществами перед традиционными методами спектрального анализа, что объясняет его интенсивное внедрение в самые разнообразные приложения, связанные с исследованием вещества [2-4, 12, 13].

Одно из первых применений метода ЛИС для анализа элементов, присутствующих в жидкости в растворенном и взвешенном состоянии, было осуществлено в работе [14]. Определение элементного состава жидкости осуществлялось по эмиссионным линиям, возбуждаемым в лазерной плазме, генерируемой на поверхности жидкости одиночным лазерным импульсом с плотностью мощности, достаточной для создания оптического пробоя. Перспективы использования ЛИС для определения элементного состава морской воды упомянуты в работах [15, 16].

Несомненным преимуществом метода ЛИС является возможность дистанционного измерения, отсутствие предварительной подготовки пробы, высокая степень автоматизации эксперимента и возможность определения элементного состава вне зависимости от фазового состояния анализируемого вещества. Вопрос о количестве элементов, которые возможно зарегистрировать при конкретном способе возбуждения плазменного факела, зависит от плотности мощности лазерного излучения в импульсе и применяемой регистрирующей аппаратуры. При надлежащем выборе условий возбуждения и регистрации эмиссионных спектров, исследуемых элементов возможно измерение элементного состава жидких сред до концентрации 10"2 -НО"3 г/л [17 -20].

Одним из основных факторов, ограничивающих широкое использование метода ЛИС для анализа жидкостей, является невысокая чувствительность, что делает затруднительным использование на уровне концентраций, близких к предельно допустимым (ПДК). Перспективы повышения чувствительности ЛИС связаны с увеличением контраста спектральных линий и разработкой метода для конкретного объекта. Так предлагается использовать для возбуждения плазмы согласованные импульсы двух лазеров, осуществлять временную селекцию при регистрации эмиссионных линий элементов [21, 22].

Актуальность темы. Исследование механизмов лазерного пробоя в газовой атмосфере и на поверхности конденсированных сред является актуальной задачей. Результаты этих исследований используются для решения широкого круга фундаментальных и прикладных проблем, указанных выше. Особо следует отметить, что механизм разлета плазмы (быстрая волна ионизации, светодетонационная волна, сверхзвуковая радиационная волна, пробойная волна, волна теплопроводностного механизма) зависит как от параметров лазерной системы (длин волны излучения, энергия и длительность импульса, способ фокусировки), так и от параметров окружающего газа (потенциала ионизации, сечения поглощения и ионизации ультрафиолетовыми квантами и др.). Режим движения плазмы определяет температуру и электронную плотность плазмы. Исследование динамики эмиссионных линий сплошного спектра и линий атмосферы, в которой проводится спектральный анализ, позволяет определить временной интервал, в котором наблюдается максимальные величины контраст эмиссионных линий исследуемых элементов. Особенно актуальны эти исследования для лазерной искровой спектроскопии жидкостей. Преимуществом данного метода перед другими является возможность дистанционного измерения, отсутствие предварительной подготовки пробы, высокая степень автоматизации эксперимента и возможность определения элементного состава вне зависимости от фазового состояния анализируемого вещества.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании режимов движения плазменных фронтов и динамики спектральных линий при оптическом пробое газа и на поверхности конденсированных сред.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

Исследование режимов движения разлетающейся плазмы в процессе лазерного пробоя в нормальной атмосфере.

Изучение распределения интенсивности свечения плазмы в зависимости способа фокусировки лазерного излучения и исследование спектроскопических параметров плазмы в области взаимодействия двух плазменных фронтов, распространяющихся во встречных направлениях в условиях пробоя нормальной атмосферы.

Проведение исследований временной динамики эмиссионных спектров излучения лазерной плазмы при оптическом пробое в атмосфере и на поверхности конденсированных сред

Использование полученных результатов для повышения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии с целью измерения элементного состава конденсированных сред

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись лазерно-физические методы зондирования, статистического анализа и численного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Экспериментально и теоретически установлено, что фронт плазмы в нормальной атмосфере, созданный лазерным импульсом первой, второй и третьей гармониками Nd:YAG лазера плотностью мощности больше чем

I I "9

10 Вт/см", движется в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению.

2. Определены оптимальные условия регистрации спектра, которые позволяют поднять контраст эмиссионных линий, регистрируемых на фоне сплошного спектра при оптическом пробое на поверхности конденсированных сред и в нормальной атмосфере.

3. Выявлены закономерности поведения спектральных линий мультиплетов азота и кислорода в области взаимодействия двух плазменных фронтов.

4. Показаны особенности временной зависимости интенсивности сплошного спектра, линий Na, Mg, Са и молекулярных полос ОН и CN, а также отношения интенсивности линии к фону при оптическом пробое на поверхности морской воды.

5. Разработана методика, позволяющая определить переходы, вносящие значительный вклад в излучение мультиплетов. Показано, что при исследовании ЛИС жидкости, использование динамики интенсивности излучения нескольких мультиплетов, значения сил осцилляторов и энергий уровней, можно определить переходы, вносящие значительный вклад в излучение мультиплетов.

Практическая значимость работы.

Результаты работы могут быть применены на практике для:

- разработки методов управления движением плазменного фронта;

- увеличения чувствительности методов лазерной искровой спектроскопии в экспресс диагностике измерения концентрации элементов;

Результаты работы использовались при выполнении проектов ДВО РАН №09-Ш-В02-060 "Исследование режимов взаимодействия лазерных плазм генерируемых оптическим пробоем в атмосфере" (руководитель проекта), ДВО РАН № 09-1-П9-01 "Исследование механизмов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с жидкими средами, газами и биологическими объектами с целью разработки новых методов зондирования океана и атмосферы" (исполнитель проекта), ДВО РАН № 09-II-CO-02-001 "Оптика фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере и океане" (исполнитель проекта), НИР № 2.1.1/1443 "Управление плазменным фронтом при оптическом пробое в конденсированных средах и газах" аналитической ведомственной программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)" Федерального агентства по образованию (исполнитель НИР). Часть работы выполнялась в рамках проектов РФФИ №09-02-98508-рвостока "Исследование процессов распространения фемтосекундных лазерных импульсов в морской воде" и № 06-05-96206 "Разработка комплексного оптоакустического метода и новых технологий дистанционного зондирования верхнего слоя океана" (исполнитель проектов).

Основные положения, выносимые на защиту:

- При оптическом пробое в нормальной атмосфере, генерируемом первой, второй и третьей гармониками Nd:YAG лазера с интенсивностями излучения в диапазоне Ю10 - 1012 Вт/см2 наблюдается распространение плазменного фронта в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению.

- При взаимодействии встречных плазменных фронтов оптического пробоя в нормальной атмосфере наблюдается двукратное увеличение интенсивности эмиссионных линий по сравнению с интенсивностью аналогичных спектральных линий в невзаимодействующей плазме.

- Характерное время светимости мультиплетов ионов азота N11 и кислорода ОН в спектре оптического пробоя на поверхности жидкости составляет 400 не, что позволяет использовать временную селекцию эмиссионных линий на фоне непрерывного излучения для увеличения чувствительности метода ЛИС.

- Наибольшие скорости распространения плазменного фронта при оптическом пробое в газе навстречу лазерному излучению наблюдаются в режиме быстрой волны ионизации.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: На международных конференциях: Optical Natural Waters 2007 (Нижний Новгород), Optical Natural Waters 2009 (Санкт-Петербург), The North Pacific Marine Science Organization (PICES) 17th Annual Meeting. Далянь. Ha российских конференциях: XI и XII конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов. ПДММ-2007 и ПДММ-2009 (Владивосток) 17 - 20 июня 2007 г., Всероссийская научная конференция студентов физиков, аспирантов и молодых ученых (ВСНКСФ-12) (Новосибирск), Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (БШФФ-10) (Иркутск), конференциях молодых ученых ТОЙ ДВО РАН (2007, 2008, 2009 гг.), а также на научных семинарах ТОЙ ДВО РАН, ИАПУ ДВО РАН, Морского физико-технического института Морского государственного университета им. Г.И.Невельского. За доклад на Двенадцатой Всероссийской научной студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-12 (Новосибирск) (2006) был присуждено первое место (диплом первой степени), был награжден грамотой за участие в конференции Optical Natural Waters 2007 (Нижний Новгород) (2007), почетной грамотой и дипломом за 2 место на конференциях по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов 11 ПДММ (2007) и 12 ПДММ (2009) (Владивосток).

По материалам диссертации опубликовано 32 работы, включая 5 статей в рецензируемых журналах (4 статьи в журналах, входящих в список ВАК), 10 работ в трудах международных и российских конференций, 17 работ в тезисах докладов конференций.

Личный вклад автора.

В составе коллектива авторов участвовал в разработке и проведении всех экспериментов, самостоятельно проводил отдельные экспериментальные исследования по лазерно-искровой спектроскопии, включая исследования в морских экспедициях в Японском и Охотском морях на парусном учебном судне "Надежда" (2004, 2006 г.г.) и малых НИС типа НИС "Малахит" в заливе Петра Великого Японского моря (2007-2009 г.г.). Самостоятельно проводил обработку и анализ полученных измерений, выполнял необходимые теоретические расчеты. Результаты, связанные с исследованиями особенностей динамики эмиссионных спектров, получены при решающем вкладе автора. Все защищаемые научные положения получены при основном вкладе автора

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 132 наименования. Работа представлена на 141 страницах, включая 5 таблиц и 34 рисунка

Основные результаты работы

Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что фронт плазмы в нормальной атмосфере, созданный лазерным импульсом первой, второй и третьей гармониками Nd:YAG лазера плотностью мощности больше чем 1010 Вт/см2, движется в режиме быстрой волны ионизации навстречу лазерному излучению. В частности, показано, что для установившегося режима БВИ характерны наибольшие скорости распространения, малая степень ионизации и температура за фронтом по сравнению с другими механизмами. Это может привести к уменьшению интенсивности сплошного спектра и увеличению контраста эмиссионных линий, а, следовательно, - к увеличению чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии.

При взаимодействии встречных плазменных фронтов оптического пробоя в нормальной атмосфере наблюдается двукратное увеличение интенсивности спектральных линий мультиплетов азота по сравнению с интенсивностью линий в невзаимодействующей плазме. Детали полученных результатов заключаются в том, что спектральные и временные характеристики при взаимодействии лазерных плазм значительно отличаются от случая невзаимодействующей плазмы при лазерном пробое в нормальной атмосфере. В структуре взаимодействующих плазм выделяются три пространственные зоны, определяемые механизмами распространения плазменного фронта. Наблюдаемое увеличение интегральной интенсивности излучения и интенсивностей линейчатого и сплошного спектров приводит к тому, что отношение интенсивности эмиссионной линии к интенсивности фона существенно возрастает.

Экспериментально выявлено, что характерное время светимости мультиплетов ионов азота N11 и кислорода Oil в спектре при оптическом пробое на поверхности жидкости равно 400 не, что позволяет использовать временную селекцию регистрацию линий исследуемых элементов для повышения чувствительности метода лазерной искровой спектроскопии. Показано, что скорость фронта пробоя превышает скорость фронта взрывного вскипания в области абляции. Предложен механизм на основе светодетонационной волны для области пробоя, который на больших задержках относительно начала пробоя для области абляции объясняет превышение концентрация атомов в фронте пробоя над концентрацией ионов в области взрывного вскипания.

Экспериментально показано, что при оптическом пробое газа импульсами модулированной добротности Nd:YAG лазера наблюдается режим быстрой волны ионизации, который характеризуется наибольшими скоростями распространения плазменного фронта по сравнению с другими режимами распространения лазерной плазмы.

Проведен сравнительный анализ между измерениями интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества на спектрах флуоресценции морской воды и интенсивностью линии углерода в эмиссионных спектрах лазерного пробоя на поверхности морской воды, полученных в экспедиционных условиях на научно-исследовательских судах на акваториях Японского и Охотского морей. Анализ показал, что совместное использование методов ЛИС и ЛИФ морской воды позволяет оперативно получать дополнительную информацию по содержанию и типу углеродосодержащих веществ в морской воде.

1. С.М. Davies, Н.Н. Telle, D.J. Montgomery. Quantatative analysis using remout laser - induced breakdown spectroscopy (L1.S). // Spectrochem. Acta Part B. -1995-Vol. 50.-p. 1059- 1075.

2. M. Sabsabi, P. Cielo. Quantitative analysis of aluminum alloys by laser — induced breakdown spectroscopy and plasma characterization. // Apl. Spectrosc 1995. - Vol. 49. - № 4. - p. 499 - 507.

3. V. Margetic, A. Pakulev, A. Stockhaus et al. A comparision of ns and fs laser -induced plasma spectroscopy of brass samples. // Spectrochem. Acta Part B-1999-Vol. 55.-p. 1771.

4. V. Sturm, L. Peter, R. Noll. Steal analysis with laser - induced breakdown spectrometry in vacuum ultraviolet. // Appl. Spectrosc. — 2000. — Vol. 54. - p. 1275 - 1278.

5. Н.Г. Басов, А.Ю Захаренков, А. А. Рупасов и др. Диагностика плотной плазмы. М. Наука, 1989. - 368 С.

6. Букин О.А., Базаров И.В., Киселев В.Д., Майор А.Ю. и др. Влияние давления газовой атмосферы на характеристики эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой на поверхности твердых мишеней. // Квантовая электроника. 1998. - Т. 25, № 8. - С. 707-710.

7. Yoshiro Ito, Osamu Ueki, Susumu Nakamura. Determination of colloidal iron in water by laser-induced breakdown spectroscopy. // Analytica Chimica Acta. — 1995. -V. 299. P. 401-405.

8. Янковский, А. А. Лазерный спектральный анализ. Квантовая электроника и лазерная спектроскопия. Минск: Наука и техника, 1974.- С. 362-380.

9. Букин О.А., Ю.А. Зинин, Э.А. Свириденков и др. Определение макросостава морской воды методом лазерной искровой спектроскопии. // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т. 5. № 11. - С. 1213-1216.

10. Букин О. А., Базаров И. В., Бодин Н. С., Майор А. Ю., Ильин А. А., Царев В. И. Механизмы уширения эмиссионных линий лазерной плазмы, генерируемой на поверхности твердых мишеней. // Журнал прикладной спектроскопии. 2000. - Т. 67, № 2. - С. 234-237.

11. Н. Б. Делоне, В.П. Крайнов. Основы нелинейной оптики атомарных газов. Курс лекций. М. Наука, - 1986 . - 181 С.

12. JI.B. Келдыш. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1964. т.47, № 5(11). -с. 1945- 1957.

13. Г.В. Островская, А.Н. Зайдель. Лазерная искра в газах. // Успехи физических наук. 1973. -т.111, № 4. - с.679 - 616.

14. Ю. П. Райзер. Лазерная искра и распространение разрядов. — М.: Наука, 1974. 308 С.

15. Н.Б. Делоне. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Курс лекций. М. Наука, - 1989 . - 280 С.

16. В. И. Фишер. О быстрой волне ионизации газа в луче мощного лазера. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1980. — Т. 79, № 6(12).-С. 2142-2151.

17. В. И. Фишер, В. М. Хараш. О сверхдетонационном движении фронта плазмы навстречу мощному лазерному излучению. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1982. — Т.82, № 3. - С. 740746.

18. И .В . Немчинов . Волны поглощения в газах. // Известия академии наук СССР . Сер . физ. 1982. - т .46, № 6. - С . 1026-1036.

19. В.М. Фишер, В. М. Хараш. О быстрой волне ионизации в лазерном луче. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1983. — Т.82, № 5(11).-С.1738-1746.

20. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. — М. Наука, 1963. — 632 С.

21. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения. / Пер. с англ. М.: Мир, 1974.-468 с.

22. Гончаров В.К., Карабань В.И., Концевой B.JI. и др. Взаимодействие прямоугольного импульса излучения неодимового лазера с металлами. // Квантовая электроника. 1991. - Т. 18, № 7. - С. 872-876.

23. Барчуков А.И., Бункин Ф.В., Конов В.И. и др. Исследование низкопорогового пробоя газов вблизи твердых мишеней излучением С02 лазера. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1974. - Т. 66, № 2(8). - С. 965-981.

24. Батанов В.А., Бункин Ф.В., Прохоров A.M. Испарение металлических мишеней мощным оптическим излучением. // Журнал экспериментальной и теоретической физики,-1972.-Т. 63, № 2(8).- С. 966-975.

25. Андреев А.А., Баянов В.И., Крыжановский В.И. и др. Механические характеристики процессов взаимодействия лазерного излучения разных длин волн с непрозрачными материалами. // ЖТФ. 1992. - Т. 62, № 2. - С. 84-92.

26. Афанасьев Ю.В., Крохин О.Н. Испарение вещества под действием излучения лазера. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1967. Т. 52, № 4. - С. 966-975.

27. Сухов, JI.T. Лазерный спектральный анализ. Новосибирск: Наука, 1990. -139 с.

28. Лямшев, Л.М. Оптико-акустические источники звука. // Успехи физических наук. 1981. - Т. 135, № 4. - С. 637-669.

29. Власов Д. В., Прохоров А. М., Ципенюк Д. Ю. и др. Аналитические возможности элементного анализа водных растворов по эмиссионному спектру лазерного пробоя на поверхности. // ЖПС. — 1991.-Т. 55, №6.-С. 919-926.

30. Букздорф Н.В., Землянов А.А., Кузиковский А.В. и др. Взрыв сферической капли под действием лазерного излучения. // Известия высших учебных заведений. 1974. - № 5. - С. 36-40.

31. О. А. Букин, А. Н. Павлов, Н. В. Сушилов и др. Использование спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред. // Журнал прикладной спектроскопии. 1990. - Т. 52, № 5. - С. 736738.

32. А. В. Гуревич, JI. П. Питаевский. Коэффициент рекомбинации в плотной низкотемпературной плазме. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1996. - Т. 46, № 4. - С. 1281-1289.

33. В. Н. Анисимов, В. Г. Гришина, О. Н. Деркач и др. Состав и динамика эрозионной плазмы, сформированной микросекундными лазерными импульсами.// Квантовая электроника. 1995. - Т. 22, № 8. - С. 815-819.

34. JI. Т. Сухов. Оптические характеристики лазерной плазмы на поздней стадии разлета. Квантовая электроника. — 1987. Т. 14, № 2. — С. 317-322.

35. Н. Kurniawan, М. О. Tjia, М. Barmawi et al. A time-resolved spectroscopic study on the shock wave plasma induced by the bombardment of TEA C02 laser.// J. Phys. D: Appl. Phys. 1995. - Vol. 25. - P. 879-883.

36. G. Mehlman, D. B. Chrisey, P. G. Burhkalter et al. Vacuum ultraviolet spectroscopy study of excimer-laser-generated plasmas.// J. Appl. Phys. 1993. -Vol. 74, № i.p. 53-61.

37. Martin J. H., Coale К. H., Johnson K. S. et al. Testing the iron hypothesis in ecosystems of the equatorial Pacific Ocean. //Nature.- 1994.- V. 371. p. 123129.

38. Буланов A.B. Динамика движения фронтов лазерной плазмы при оптическом пробое газа// Тез. Докл. 12 Всероссийской научной конференции студентов физиков. ВНКСФ — 12. Новосибирск. 2006. С. 342-343.

39. О.А. Букин, А.А. Ильин, И.Г. Нагорный, А.Н. Павлов А.В. Буланов. Особенности взаимодействия встречных плазменных фронтов при лазерном пробое в нормальной атмосфере. // Письма ЖТФ. — 2006. Т. 32, выпуск 13. - С. 32-37.

40. О.А. Букин, А.А. Ильин, Ю.Н. Кульчин, И.Г. Нагорный, А.Н.Павлов, А.В.Буланов. Взаимодействие лазерных плазм при оптическом пробое газа в нормальной атмосфере. // Квантовая электроника. 2006. — Т.36, №6.1. С.553-556.

41. Захарченко С.В. Сверхдетонационные волны оптического разряда в воздухе.// Квантовая электроника. 1984. Т. 11, № 10. С. 218-219.

42. Буланов А.В. "Механизм распространения оптических разрядов в воздухе" // Тезисы региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 15-17 ноября 2006 г. с. 110.

43. Буланов А.В. "Экспериментальное исследование механизмов преобразовании энергии лазерного излучения при оптическом пробое на границе жидкости и газа. "//Материалы докладов 5 региональной научной конференции. Хабаровск, 25-27 октября 2005 г. с.89.

44. Alexey A. Ilin, Sergey S. Golilc, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Improving sensitivity of laser-induced breakdown spectroscopy using laser plasmas interaction."//Proceedings SPIE Vol. 6522 65220Z (2006).

45. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma. "// International Conference High-Power Laser Ablation. Taos, New Mexico USA. 7-12 May 2006.

46. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma. "// Proceedings SPIE Vol. 6261 626120 (2006)

47. Буланов A.B. "Механизм распространения плазменного фронта при оптическом пробое газа."// Тезисы докладов. ПДММ-2007. Владивосток 13 16 июня 2007г. с. 99-104.

48. Буланов А.В. "Механизм распространения волн поглощения лазерного излучения в воздухе."// Тезисы докладов. 13 Всероссийской научной конференции студентов физиков. ВНКСФ - 13. Ростов на Дону. 2007 г. с. 302-303.

49. А.А. Ильин, О.А. Букин, А.В. Буланов. Режимы движения лазерной плазмы при оптическом пробое в нормальной атмосфере. // ЖТФ. — 2008. Т. 78, выпуск 6. - С. 20-24.

50. Буланов А.В. "Акустическая спектроскопия в исследовании кавитации"// Тезисы региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 18-19 ноября 2004 г. с. 98-100.

51. Salyuk P.A., Ilin A.A., Golik S.S., Bukln O.A., Bulanov A.V. "Investigation of Dissolved Organic Matter In Seawater By Laser-Induced Fluorescence And Laser-Induced Breakdown Spectroscopy."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99.

52. A.A.Il'in, O.A.Bukin, A.V.Bulanov, I.G.Nagorny. "Time-Resolved measurements of Laser Plasmas Interaction During Breakdown in Normal Atmosphere by Various Wavelengths."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99.

53. А.А. Ильин, О.А. Букин, А.В. Буланов, И.Г. Нагорный, С.С.Голик, Е.Н.Бауло. Спектрально — временные характеристики плазмы, генерируемой на поверхности морской воды наносекундным лазерным импульсом.// Оптика атмосферы и океана, 2009. Т.22, № 7. С.705-709

54. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Голик С.С., Ильин А.А., Буланов А.В., Бауло Е.Н. Использование методов лазерной спектроскопии при исследовании элементов углеродного цикла в океане. // Оптика атмосферы и океана, 2009. - Т. 22, № 12

55. Alexey A. Il'in, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Time-resolved measurements of laser plasmas interaction during breakdown in normal atmosphere by various wavelengrh. "// Proceedings SPIE Vol. 6735 673514(2007)

56. Гальбурт В.А., Рябов О.А. Нестационарные явления при сверхзвуковом распространении оптического пробоя в газах // Квант, электрон. 1989. Т. 16. № 10. С. 2141-2149.

57. Будник А.П., Вакуловский А.С., Попов А.Г. и др.// ЖТФ. 1984.Т.54. Вып. 12. С. 2400-2402

58. Zeldovich Ya.B., Raizer Yu.P. Physics of shock waves and high-temperature hydrodynamic phenomena. New York: Dover Publication, 200273. http://physics.nist. gov/PhysRefData/ASD/index.html

59. JI. А. Вайнштейн, И.И. Собельман, E.A. Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979. - 319 С.

60. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2006. 472 с.

61. Букин О.А., Зинин Ю.А., Свириденков Э.А., Сушилов Н.В., Эдуардов С.Л. Определение макросостава морской воды методом лазерной искровой спектроскопии // Оптика атмосферы и океана. 1992. т.5 , № 11. С. 1213 -1216

62. Океанология. Химия океана. Т.1. Химия вод океана. / Под ред. O.K. Бордовского. . М.: Наука, 1979. 518 с.

63. Berman L.M., Wolf P.J. Laser-induced breakdown spectroscopy of liquids: aqueous solutions of nickel and chlorinated hydrocarbons // Applied Spectroscopy. 1998. V. 52. No 3 P. 438-443.

64. W. F. Ho, C. W. Ng, N. H. Cheung. Spectrochemical analysis of liquids using laser-induced plasma emission: effect of laser wavelength // Applied spectroscopy. 1997.-Vol. 51, № l.-C. 87-91.

65. B.A. Бойко, O.H. Крохин, Г.В. Склизков. Исследование параметров и динамики лазерной плазмы при острой фокусировке излучения на твердую мишень // Труды ФИАН. 1974. - т. 76. - С. 187-228

66. Б. М. Смирнов. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М.: Атомиздат, 1968. - 363 С.

67. В. С. Бураков, А. Ф. Бохонов, П. А. Науменков и др. Спектрально-временные характеристики лазерной плазмы комбинированной мишени // Журнал прикладной спектроскопии. 1998. - т. 65, № 3. - С427-432

68. В. Н. Анисимов, В. Г. Гришина, О. Н. Деркач и др. Состав и динамика эрозионной плазмы, сформированной микросекундными лазерными импульсами // Квантовая электроника. 1995. - т. 22, № 8. - С. 815-819.

69. JI.T. Сухов. Оптические характеристики лазерной плазмы на поздней стадии разлета // Квантовая электроника. — 1987. — т. 14, № 2. — С. 317-322

70. Н. Kurniawan, S. Nakajima, J.E. Batura et al. Laser-induced shock wave plasma in glass and its application to elemental analysis // Applied Spectroscopy. -1995. Vol. 49, № 8. - P. 1067-1072.

71. H. Kurniawan, M. O. Tjia, M. Barmawi et al. A time-resolved spectroscopic study on the shock wave plasma induced by the bombardment of TEA CO2 laser // J. Phys. D: Appl. Phys. 1995. - Vol. 25. - P. 879-883.

72. Abhilasha, P. S. R. Prasad, R. K. Thareja. Laser-produced carbon plasma in an ambient gas // Physical Review E. 1992. - Vol. 48, № 4. - P. 2929-2933.

73. G. Mehlman, D. B. Chrisey, P. G. Burhkalter et al. Vacuum ultraviolet spectroscopy study of excimer-laser-generated plasmas // J. Appl. Phys. 1993. -Vol. 74, № l.-P. 53-61.

74. M. Milan, J. J. Laserna. Diagnostic of silicon plasmas produced by visible nanosecond laser ablation // Spectrochimica Acta Part B. 2001. - Vol. 56. - P. 275-288.

75. В. А. Розанцев, M. JI. Петух, А. А. Янковский. Влияние давления воздуха на спектры лазерной плазмы // Журнал прикладной спектроскопии. — 1987. -т. 46, № 11.-С. 549-553.

76. С. Aragon, J. A.Aguilera. Two-dimensional spatial distribution of the time-integrated emission from laser-produced plasmas in air at atmospheric pressure //Applied Spectroscopy.- 1997.-Vol. 51, № 11.-P. 1632-1638.

77. Д. В. Власов, А. М. Прохоров, Д. Ю. Ципенюк. Динамика эмиссионного спектра лазерного пробоя на поверхности воды // Квантовая электроника. — 1991.-т. 18, № 10.-С. 1234-1235.

78. Д. В. Власов, А. М. Прохоров, Д. Ю. Ципенюк и др. Аналитические возможности элементного анализа водных растворов по эмиссионному спектру лазерного пробоя на поверхности // Журнал прикладной спектроскопии. 1991. -т. 55, № 6. - С. 919-927.

79. А.А. Ильин, А.Ю. Майор. Исследование геометрических параметров областей взаимодействия лазерных плазм // Тез. докл. 42 Всеросс. межвузовской науч.-техн. конф., Владивосток, т. 2. 1999, С. 79-81.

80. М. Kuzuya, Н. Matsumoto, Н. Takechi et al. Effect of laser energy and atmosphere on the emission characteristics of laser induced plasmas. Applied Spectroscopy.- 1993.-Vol. 47, № 10.-P. 1659-1664

81. O.A. Букин, A.A. Ильин, С.С. Голик и др. Характеристики спектров плазмы у поверхности твердых и жидких мишеней при воздействии лазерным импульсом сложной формы // Журнал прикладной спектроскопии. 2003. -т. 70, №4.-С. 531-535.

82. O.A. Bukin, A.A. II'in, S.S. Golik et al. Investigation of stark shift and shock wave parameters relationships in laser plasmas generated on the surfaces of solid targets // SPIE proceedings. 2002. - Vol. 4748. - PP. 184-190.

83. Adamson M., Padmanabhan A., Godfrey G.J., Rehse S.J. Laser-induced breakdown spectroscopy at a water/gas interface: A study of bath gas-dependent molecular species // Spectrochim. Acta Part B. 2007. V. 62. P. 1348-1360.

84. Hannachi R., Boussai'di S., Teulet P., Taieb G., Cressault Y. , Gleizes A.,-Lakhdar B.Z. Spectroscopic analysis of a laser-induced NaCl-water plasma. The influence of self-absorption // Appl. Phys. A. 2008. V. 92. P. 933-937.

85. Ahmed J.B., Lakhdar Z.B., Taieb G. Kinetics of laser induced plasma on an aqueous surface // Laser Chemistry. 2002. V. 20(2-4) P. 123-134

86. Charfi В., Harith M.A. Panoramic laser-induced breakdown spectrometry of water // Spectrochim. Acta Part B. 2002. V. 57 P. 1141-1153

87. Fichet P., Mauchien P., Wagner J., Moulin C. Quantitative elemental determination in water and oil by laser-induced breakdown spectroscopy // Analytica Chimica Acta. 2001. V. 429. P.269-278.

88. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S. Differential lidar fluorescensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica. Int. Journal of remote sensing. V.22, #2-3, 2001. P.369-384.

89. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325-346.

90. Salyuk P.A., Bukin O.A., Mayor A.Yu., Il'in A.A., Bulanov A.V. Differences in the fluorescence of dissolved organic matter in seawater induced by UV and green radiation // Ocean Optics XIX, 6-10 October 2008, Tuscany, Italy. Tuscany, 2008. P. 98.

91. Кульчин Ю.Н., Вознесенский С.С., Гамаюнов Е.Л., Турин А.С., Коротенко А.А., Майор А.Ю. Погружной оптоволоконный флуориметр // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 6. С. 117-122.

92. Майор А.Ю., Букин О.А., Крикун В.А., Бауло Е.Н., Ластовская И.А. Компактный судовой флуориметр // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20, № 3. 2007. С. 283-285.

93. Parsons Т., Takahashi М. Biological oceanographic processes L.: Pergamon Press, 1973.- 186p.

94. Карабашев Г.С., Соловьев A.H. Закономерности пространственно-временной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках живого фитопланктона // Труды ИОАН. 1975. т. 102. - С. 89-93.

95. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.

96. Millero F.J. Chemical Oceanography. Taylor and Francis Group. 2003. 500p.

97. Ocean Color Web http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/

98. Stramski D., Reynolds R.A., Kahru M., Mitchell B.G. Estimation of Particulate Organic Carbon in the Ocean from Satellite Remote Sensing // Science. 1999. V. 285. P. 239-242.

99. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Ribezzo A. Differential lidar fluorosensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica// International Journal of Remote Sensing. 2001. V. 22. № 2/3. P. 369-384.

100. Майор А.Ю., Букин О.А., Крикун В.А., Бауло Е.Н., Ластовская И.А. Компактный судовой флуориметр // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 3. С. 283-285.

101. Лазерно-искровой спектрометр: Патент № 56630 на полезную модель. Российская федерация, МПК, G 01 N 21/64. Ильин А.А., Букин О.А., Голик С.С., Морозова. Т.В.; № 2006115668/22; Заявл. 05.05.2006; Опубл. 10.09.2006. Бюл. №25.

102. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н. Исследование процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона методом лазерной индуцированной флуоресценции // Оптика атмосферы и океана. 2005. № 11. С. 871-878.

103. Parlanti Е., Worz К., Geoffroy L., Lamotte М. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. P.1756-1781.

104. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P.325-346.

105. Судовой лазерный проточный флуориметр: Патент на полезную модель № 53016. Майор А.Ю., Крикун В.А., Букин О.А., Павлов А.Н.; Опубл. 27.04.2006. Бюл. №12.

106. Duursma Е.К. The dissolved organic constituents of sea water // Chemical Oceanography. London: Academic Press, 1965. V. 1. P. 433-475.

107. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане // JL: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.

108. Публикации по теме диссертации1. В рецензируемых журналах:

109. О.А. Букин, А.А. Ильин, И.Г. Нагорный, А.Н. Павлов, А.В. Буланов. "Особенности взаимодействия встречных плазменных фронтов при лазерном пробое в нормальной атмосфере."//Письма в ЖТФ, том 32, выпуск 13 (2006), с. 32-37

110. О.А. Букин, А.А. Ильин, Ю.Н. Кульчин, И.Г. Нагорный, А.Н.Павлов, А.В.Буланов "Взаимодействие лазерных плазм при оптическом пробое газа в нормальной атмосфере."//Квантовая электроника, 36, 6 (2006), с.553-556

111. А.А. Ильин, О.А. Букин, А.В. Буланов. Режимы движения лазерной плазмы при оптическом пробое в нормальной атмосфере. // ЖТФ. 2008. - Т. 78, выпуск 6. - С. 20-24.

112. Alexey A. Ilin, Sergey S. Golik, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Improving sensitivity of laser-induced breakdown spectroscopy using laser plasmas interaction."// Proceedings SPIE Vol. 6522 65220Z (2006)

113. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma. "// International Conference High-Power Laser Ablation. Taos, New Mexico USA. 7-12 May 2006

114. Alexey A. Ilin, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov. "Absorption waves interaction in gas and plasma. "// Proceedings SPIE Vol. 6261 626120 (2006)

115. Alexey A. .Il'in, Oleg A. Bukin, Ivan G. Nagorny and Alexey V. Bulanov "Time-resolved measurements of laser plasmas interaction during breakdown in normal atmosphere by various wavelengrh"//Proceedings SPIE Vol. 6735 673514 (2007)

116. В тезисах докладов конференций:

117. Буланов А.В. "Динамика движения фронтов лазерной плазмы при оптическом пробое газа."//Тезисы докладов. 12 Всероссийской научной конференции студентов — физиков. ВНКСФ — 12. Новосибирск. 2006 г. с. 342-343.

118. Буланов А.В. "Механизм распространения оптических разрядов в воздухе. "//Тезисы региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 15-17 ноября, 2006 г. с. 110

119. Буланов А.В. "Экспериментальное исследование механизмов преобразовании энергии лазерного излучения при оптическом пробое на границе жидкости и газа."//Материалы докладов 5 региональной научной конференции. Хабаровск, 25-27 октября 2005 г. с.89

120. Salyuk P.A., Ilin A.A., Golik S.S., Bukin O.A., Bulanov A.V. "Investigation of Dissolved Organic Matter In Seawater By Laser-Induced Fluorescence And Laser-Induced Breakdown Spectroscopy."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99

121. A.A.H'in, O.A.Bukin, A.V.Bulanov, I.G.Nagorny. "Time-Resolved measurements of Laser Plasmas Interaction During Breakdown in Normal Atmosphere by Various Wavelengths."// Proceedings of ICONO/LAT 2007. p.99

122. Буланов А.В. "Механизм распространения волн поглощения лазерного излучения в воздухе."// Тезисы докладов. 13 Всероссийской научной конференции студентов физиков. ВНКСФ - 13. Ростов на Дону. 2007 г. с. 302-303

123. Salyulc P.A., Bukin O.A., Mayor A.Yu., IFin A.A., Bulanov A.V. Differences in the fluorescence of dissolved organic matter in seawater induced by UV and green radiation // Ocean Optics XIX, 6-10 October 2008, Tuscany, Italy. Tuscany, 2008. P. 98.