Влияние ударных волн на спектральные и временные параметры лазерной плазмы, генерируемой на поверхности конденсированных сред при многоимпульсном возбуждении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

он-41

МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. АДМ. Г.И. НЕВЕЛЬСКОГО

ВЛИЯНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД ПРИ МНОГОИМПУЛЬСНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ

Специальность: 01.04.05 - Оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Букин O.A.

Владивосток 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД В ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ................................................................................11

1.1. Механизм лазерного пробоя на поверхности конденсированных сред в условиях газовой атмосферы....................................................11

1.2. Динамика ударных волн, генерируемых при оптическом пробое на поверхности конденсированных сред.........................................20

1.3. Пространственно-временные параметры эмиссионных спектров лазерной плазмы...................................................................25

1.4. Многоимпульсное возбуждение лазерной плазмы в нормальной атмосфере...........................................................................32

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ............................................................................................36

2.1. Экспериментальная установка для исследования пространственно-временных параметров лазерного факела в газовой атмосфере.........36

2.2. Режимы возбуждения лазерной плазмы.................................................41

2.3. Исследования характеристик плазмы жидкости и элементного состава жидких сред и фитопланктона................................................45

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ В

ПЕРВОМ РЕЖИМЕ...........................................................................48

3.1. Пространственно-временные характеристики излучения сплошного спектра лазерной плазмы.........................................................48

3.2. Пространственно-временные характеристики излучения эмиссионной линии А1 1 396Д нм...............................................................62

3.3. Оценка термодинамических параметров светодетонационных волн.................................................................................66

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН НА

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ ВО

ВТОРОМ РЕЖИМЕ......................................................................72

4.1. Пространственно-временные характеристики излучения сплошного спектра лазерной плазмы..............................................................72

4.2. Пространственно-временные характеристики излучения эмиссионной линии А11 396,1 нм................................................................82

4.3. Оценка термодинамических параметров светодетонационных волн при многоимпульсном возбуждении..........................................85

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО

ПРОБОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ В МНОГОИМПУЛЬСНОМ

РЕЖИМЕ..................................................................................89

5.1. Исследование пространственно-временных характеристик сплошного и линейчатого спектров лазерной плазмы...................................89

5.2. Использование многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы для задач лазерной искровой спектроскопии.....................................97

5.3. Элементный анализ с использованием многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................108

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно исследуются механизмы образования и развития лазерной плазмы при многоимпульсном возбуждении, как на поверхности твердого тела, так и на поверхности жидких сред. До недавнего времени основной интерес в данной области был обусловлен проблематикой лазерного управляемого термоядерного синтеза, исследование механизмов образования и развития лазерной плазмы, в большинстве случаев, проводились на мишенях, расположенных в вакууме [1]. Однако в последние годы появились работы, в которых проводится исследование многоимпульсного лазерного пробоя на поверхности конденсированных сред, расположенных в газовой атмосфере. Преимущественно, интерес к данной тематике вызван разработкой новых методов разогрева лазерной плазмы ударными волнами [2], а также разработкой новых методов исследования вещества, в частности, метода лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) [3,4].

Стоит отметить, что в литературе практически отсутствуют работы по возбуждению оптического пробоя на поверхности твердых тел и жидкости, где используется многоимпульсное возбуждение. Исключение составляют работы [например, 5-7], где использовано только двухимпульсное возбуждение плазменного факела. Такой способ возбуждения использован для повышения контраста эмиссионных линий элементов на фоне непрерывного спектра излучения плазменного факела. Практически неизученным является механизм взаимодействия ударных волн в лазерной плазме. Можно отметить только работы [2,8], где наблюдалось взаимодействие ударных волн непосредственно в разлетающейся лазерной плазме.

Использование многоимпульсного возбуждения плазмы на поверхности конденсированных мишеней может позволить провести

исследования в области взаимодействия ударных волн, поскольку при таком способе возбуждения на поверхности мишени, расположенной в газовой атмосфере, возможно появление нескольких источников ударных волн, взаимодействующих в плазменном факеле. В свою очередь, изучение механизмов движения волн поглощения лазерного излучения для конкретной формы лазерного импульса позволит оценить мгновенные значения термодинамических параметров плазмы. В то же время повышение контраста эмиссионных линий элементов на фоне излучения сплошного спектра возможно путем выбора оптимальных условий генерации лазерного факела и оптимальных условий регистрации спектра, что требует детального исследования пространственно-временных параметров лазерной плазмы.

Таким образом, актуальность постановки данной работы продиктована слабой изученностью механизмов лазерного пробоя при многоимпульсном возбуждении на поверхности твердых тел и жидкостей в условиях нормальной газовой атмосферы. А именно, при таком режиме возбуждения динамика спектров излучения лазерной плазмы определяется не только теми механизмами, которые действуют при низких давлениях буферного газа, но и другими механизмами, которые работают в плотной газовой атмосфере и возникают только при определенной форме лазерного импульса.

Целью настоящей работы является исследование пространственно-временной динамики сплошного и линейчатого спектров излучения лазерной плазмы, генерируемой на твердых и жидких мишенях, расположенных в газовой атмосфере при многоимпульсном возбуждении лазерного факела. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Создание автоматизированной экспериментальной установки для одновременной регистрации сплошного и линейчатого спектров

плазмы, генерируемой лазерным импульсом сложной временной формы на поверхности конденсированных сред.

2. Обработка и анализ пространственно-временных характеристик спектров лазерной плазмы.

3. Оценка основных термодинамических параметров плазмы за фронтом ударной волны при многоимпульсном возбуждении лазерного факела.

4. Анализ физических механизмов, приводящих к распространению плазменного фронта при лазерном пробое на поверхности твердого тела и жидкости в нормальной атмосфере.

5. Исследование возможностей многоимпульсного возбуждения плазмы на поверхности жидкости для определения элементного состава морской воды и фитопланктона методом лазерной искровой спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено исследование пространственно-временных и спектральных характеристик лазерной плазмы, генерируемой на поверхности конденсированных мишеней в условиях нормальной атмосферы лазерным импульсом, состоящим из нескольких гигантских импульсов на фоне свободной генерации. При этом обнаружены и объяснены следующие физические эффекты:

- генерация двух, распространяющихся навстречу друг Другу, светодетонационных волн и их взаимодействие в лазерной плазме;

- наличие дополнительных пиков излучения в сплошном и линейчатом спектрах лазерной плазмы, которые обусловлены распространением дозвуковой радиационной волны.

2. Установлено, что фронт плазмы, созданный первым гигантским импульсом в цуге, движется в режиме быстрой волны ионизации, светодетонационный механизм движения плазмы характерен для остальных гигантских импульсов.

3. Определены оптимальные условия регистрации спектра, которые позволяют поднять контраст эмиссионных линий, регистрируемых на фоне сплошного спектра при многоимпульсном возбуждении лазерной плазмы на поверхности конденсированных сред.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Возбуждение лазерного факела импульсом сложной временной формы на поверхности конденсированных сред приводит к возникновению как минимум двух очагов пробоя. Плазма, образованная первым гигантским импульсом расширяется в режиме быстрой волны ионизации, режим светодетонационной волны характерен для остальных лазерных импульсов в цуге.

2. Наличие нескольких дополнительных импульсов светимости на временной развертке интенсивности сплошного и линейчатого спектров плазмы, генерируемой на поверхности твердого тела, обусловлено движением дозвуковой радиационной волны.

3. Дополнительные импульсы светимости наблюдаются только в сплошном спектре лазерной плазмы, генерируемой на поверхности жидкости, дополнительные импульсы в линейчатом спектре не регистрируются.

Практическую значимость диссертационной работы можно

сформулировать следующим образом:

1. Многоимпульсное возбуждение лазерного факела и регистрация области столкновения светодетонационных волн дает возможность более детального исследования процессов взаимодействия ударных волн в разлетающейся лазерной плазме.

2. Экспериментальные измерения скорости движения плазменного фронта позволяют оценить давление, температуру и внутреннюю энергию газа за фронтом ударной волны.

3. Результаты, полученные при исследовании пространственно-временных характеристик линейчатого и сплошного спектров плазмы, генерируемой импульсом сложной временной формы на поверхности конденсированных сред, позволяют определить оптимальные условия регистрации линейчатого спектра с целью увеличения контраста эмиссионных линий на фоне непрерывного излучения лазерной плазмы.

Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 31 European Group for Atomic Spectroscopy Conference, Marseille, France, 1999; First International Conference For Young Scientists on Laser Optics, St.-Petersburg, 2000; XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Minsk, Belarus, 2001; Conference on Lasers, Applications and Technologies, Moscow, 2002; PICES 11 annual meeting, Qingdao, China, 2002; Уральская конференция по спектроскопии, Заречный, 2001; Всероссийская конференция «Актуальные проблемы аналитической химии», Москва, 2002; Научно-практическая конференция «Современные методы мониторинга морских экосистем», Проект ФЦП «Интеграция» № СО 148 «Дальневосточный экологический плавучий университет» 2000-2001 гг.; 42 Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, Владивосток, 1999; 5 Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 1999; 6 Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых, Томск, 2000; Региональные конференции по физике, Владивосток, 1997-2000 гг.

В первой главе диссертации проводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных основным стадиям взаимодействия мощного лазерного излучения с конденсированными средами. Приведены оценки времен стадии плавления, испарения и оптического пробоя. В основном описывается механизм лазерного пробоя на поверхности твердого тела и жидкости. Рассмотрено влияние ударных

волн на пространственно-временные и спектральные параметры лазерной плазмы, генерируемой в одноимпульсном и многоимпульсном режимах.

Экспериментальный комплекс для проведения исследований описан во второй главе. В экспериментах использовался Nd:YAG-^a3ep с Л. =1,064 мкм, работающий в режиме пассивной модуляции добротности. Применение фототропных затворов на центрах окраски позволило получить требуемую форму лазерного импульса при уровнях накачки значительно превышающих пороговую. В качестве регистрирующей системы использовались как фотоумножители и быстродействующие АЦП (с временным разрешением не хуже 10 не), так и двумерная ПЗС-матрица с оптическим усилителем яркости Flame Vision PRO System фирмы PCO CCD Imaging.

В третьей главе описывается воздействие лазерного импульса сложной формы, состоящего из двух гигантских импульсов на фоне свободной генерации, на алюминиевую мишень. Анализ результатов разлета лазерной плазмы проводился на основе данных сплошного спектра с использованием техники пространственно-временных диаграмм и спектрограмм пробоя, полученных на «Flame Vision PRO System». Действие лазерного импульса сложной формы приводит к возникновению как минимум двух зон пробоя, одна из которых находится над поверхностью мишени (низкопороговый пробой воздуха), а другая - на поверхности мишени. Области пробоя являются источниками ударных волн в режиме световой детонации. Взаимодействие ударных волн приводит к возникновению дозвуковых радиационных волн, которые регистрируются как дополнительные пики на временной развертке линии AI I 396,1 нм. В конце главы приведены оценки температуры, давления и внутренней энергии газа за фронтом волны.

Взаимодействие цуга из шести гигантских импульсов на фоне интенсивной свободной генерации с алюминием рассмотрено в четвертой

главе. В отличие от предыдущего случая, в сплошном спектре регистрируются как дополнительные импульсы светимости, соответствующие дозвуковым радиационным волнам, так и распад основного импульса сплошного спектра, обусловленный формированием дозвуковой радиационной волны. На временной развертке линии А11 396,1 нм наблюдается до двух дополнительных импульсов светимости, природа которых также обусловлена движением дозвуковой радиационной волны. Сравнение двух режимов возбуждения плазмы рассмотрено в конце главы.

В пятой главе описаны основные особенности плазмы, возбуждаемой цугом из шести гигантских импульсов на поверхности жидкости. В данном случае дополнительные импульсы светимости регистрируются только в сплошном спектре, на временной развертке линии Ва II 455,4 нм дополнительные импульсы отсутствуют. Показано, что по сравнению с одноимпульсным возбуждением методика многоимпульсного возбуждения обеспечивает большую чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии. Результаты, полученные в данной главе, использовались при экологическом анализе шельфовых вод в районах нефтедобычи о. Сахалин. Зарегистрировано загрязнение шельфовых вод соединениями бария.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в работе.

Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЯВЛЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД В ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

1.1. Механизм лазерного пробоя на поверхности конденсированных сред в условиях газовой атмосферы

Рассмотрим процесс взаимодействия лазерного излучения вблизи порога плазмообразования с металлами, который имеет сложный, многоступенчатый характер [9-12]. Известны следующие стадии взаимодействия:

- поглощение излучения поверхностным слоем с последующим плавлением (диапазон значений интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени - /~104-10б Вт/см2);

- нагрев поверхности до температуры кипения, испарение и разлет прозрачных паров вплоть до Момента лазерного пробоя (/~106-

108 Вт/см2);

- лазерный пробой и образование плазмы (/>107-109 Вт/см2);

- волна поглощения лазерного излучения и формирование ударно-волновой структуры в результате разлета плазмы в буферный газ (/~107-

109 Вт/см2).

Приведенные значения интенсивности лазерного излучения, необходимые для лазерного пробоя, характерны для ближнего ИК и видимого диапазона. При падении лазерного луча на непрозрачные мишени возможен и низкопороговый пробой окружающего газа (наиболее ярко выражен для С02-лазера с А.=10,6 мкм при интенсивностях /= 106—

7 2

10 Вт/см ) [13,14]. Порог пробоя окружающего мишень газа равен порогу пробоя металлического пара в нормальной атмосфере [15]. Снижение порога пробоя газа объясняется формированием волны поглощения лазерного излучения.

При больших интенсивностях, деление механизмов во времени носит условный характер, и все перечисленные выше процессы реализуются одновременно. Рассмотрим основные особенности каждой стадии в отдельности. Основные процессы, пр�