Диссертация (1149204), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Где –фокусное расстояние линзы, - уголрасходимости исходного пучка света. Напряженность поля = √4, где -плотность потока энергии [22] [28].Порог оптического пробоя имеет минимум, как и при пробое полем СВЧдиапазона. Но минимумы лежат не при 1-10 тор, а при сотнях атмосфер. Положениеминимума приближенно удовлетворяет тому же соотношению m ~ .
Причинасуществования минимума та же, что и в СВЧ поле: при m ~ максимальна (какфункция p ) скорость набора энергии электроном в поле данной частоты.Рис 2 Пороги пробоя излучением рубинового лазера(50нс, 0.1мм фокус) дляразличных давлений [22].Для гигантского импульса рубинового лазера при радиусе кружка фокусировки10 2 см пороговая интенсивность составляет S t 1011 Вт / см 2 , а поле Et 6 10 6 В / см .Порог пробоя неочищенного воздуха сфокусированным излучением CO2 -лазера 14примерно 2 109 Вт / см 2 , очищенного от пыли - не менее 1010 Вт / см 2 [22].Мельчайшие пылинки, присутствующие в атмосфере, в высшей степени облегчаютпробой излучением CO2 -лазера, тогда как в случае неодимового и в особенностирубинового влияние пыли незначительно.
Причина такого различия состоит в том,что более коротковолновое лазерное излучение при взаимодействии с газом можетсамо создавать электроны, необходимые для начала лавины. Длинноволновоеизлучение CO2 -лазера в чистом газе этого сделать не может.Соответственно существует два механизма ионизации газа под действиеминтенсивного светового излучения [22]. Один из них – развитие электроннойлавины, по своей природе не отличается от того, что происходит при пробое во всехдругих полях.
Имеются лишь различия в деталях механизма приобретения энергииэлектронами от поля, связанные с квантовым характером светового поля. Второймеханизм ионизации характерен именно для световых частот, он имеет квантовуюприроду. Электроны могут отрываться от атомов в результате многофотонногоэффекта, т.е. при одновременном поглощении сразу нескольких фотонов.Одноквантовый фотоэффект невозможен в случае частот видимого диапазона, таккак потенциалы ионизации атомов в несколько раз превышают энергии квантов.Так, например, для рубинового лазера 1.78эВ , а потенциал ионизации аргонаI Ar 15.8эВ , т. е.
для отрыва электрона требуется девять квантов. Многофотонныепроцессы маловероятны, но скорость их очень резко повышается при увеличенииинтенсивности света. В случае наносекундных (и более длительных) лазерныхимпульсов при давлениях выше десятых долей атмосферы всегда происходитлавинная ионизация. Скорость ее оказывается достаточной для пробоя газа притаких полях, которые еще недостаточны для интенсивной многофотоннойионизации. Последняя, однако, играет важную роль, обеспечивая появлениепервых, затравочных электронов, необходимых для начала лавины.
Попаданиеслучайного электрона в маленькую область фокуса в момент кратковременногоимпульса маловероятно. Возбуждение атомов ударами электронов оказываеттормозящее действие на развитие лавины, так как электрон теряет свою энергию и15вынужден снова и снова ее набирать, прежде чем ему удастся проскочить зонувозбуждения и достичь потенциала ионизации.
Так происходит во всех полях,кроме светового. В световом поле, когда энергия кванта велика, может оказатьсядостаточным небольшого числа квантов, чтобы путем многофотонных процессоввырвать электрон из возбужденного атома. В этом случае возбуждение дажеускоряет развитие лавины, так как электрону достаточно достичь потенциалавозбуждения, а не ионизации. Например, в аргоне потенциал первоговозбужденного состояния E Ar* 11.5эВ . Для отрыва электрона от возбужденногоатома нужна энергия 4,3 эВ, т. е. требуется одновременное поглощение трехквантов рубинового лазера или четырех квантов первой гармоники неодимового ( 1.17эВ ).В случае коротких импульсов поле,которое определяется стационарнымкритерием пробоя (4), может оказаться недостаточно для заметной ионизации газа.Если за время импульса родится два-три поколения электронов, это еще нельзябудет квалифицировать как пробой.Ионизация должна достичь заметнойвеличины так как пробой связывается с появлением видимой вспышки.
Вспышка ипробой соответствуют появлению приблизительно 1013 электронов. Если принятьчто лавина зарождается одним электроном, то при пробое за время импульсарождается lg 2 1013 43 поколения электронов.Поле должно быть достаточно сильным для того, чтобы постоянная временилавины была ln 1013 30 раз короче длительности импульса t1 3 10 8 c , т. е. 1нс . В этих условиях пороговое поле должно определяться из условия, что завремя действия поля t1 лавина, начавшаяся с N 0 электронов, успевает достичьвеличины N 1 [22]:t1 / ( Et ) ( i a d )t1 ln( N1 / N 0 ) (5)Выражение 5 определяет величину нестационарного критерия пробоя газа.16Необходимо отметить что пороговое поле соответствующее данному критериюслабо зависит от величины N1 / N 0 .
При расчетах можно положить t1 / 30 .Нестационарный критерий обобщает стационарный и сводится к нему при t1 .В случае же чрезвычайно коротких импульсов порог оказывается очень высоким ироль потерь электронов становится несущественной: a , d i . Нестационарныйкритерий еще сильнее обостряет пороговый характер пробоя.
При уменьшениичастоты ионизации i вдвое, для чего требуется небольшое уменьшение поля,вместо 43 родится только 21 поколение, т. е. электронов появится на 6-7 порядковменьше.При небольшой надпороговой мощности для получения пробоя лазерноеизлучение приходится фокусировать короткофокусной линзой.В случае мощного лазера интенсивности хватает на то, чтобы пробить воздух набольшой длине вдоль каустики длиннофокусной линзы.
Так получаютпротяженный оптического пробой – длинную искру.Значительное поглощение энергии "каскадным" типом пробоя начинается вмомент образования "затравочных" электронов. Далее быстро растет электроннаяплотность, затравочная плазма становится оптически толстой и поглощаетпрактически всю падающую энергию из последующей порции лазерного импульса."Порогом пробоя" по аналогии с [28] обозначим величину лазерного импульса,при котором50%лазерных импульсов вызывают пробой. Так как процесспоглощения энергии начинается по достижении порога пробоя, то передняя кромкаимпульса передается сквозь фокальную область без изменений.
Соответственнодля мощных лазерных импульсов доля поглощенной энергии растет, а прошедшей,соответственно, падает. Таким образом процессы поглощения лазерного излученияв газе можно разделить на три области [28] Рис 3:1) при энергии ниже пороговой, через область каустики фокусирующей системыпроходит вся энергия без поглощения.172) при энергиях порядка пороговой, пробой инициируется частью импульсов,поглощается часть импульсов.3) при энергиях превышающих пороговую, пробой вызывается практическивсеми импульсами, соответственно происходит значительное поглощение энергии.Рис 3 Поглощение энергии при оптическом пробое.
[28]18При увеличении энергии импульса поглощение продолжает возрастать и приопределенной энергии наблюдается слабо выраженный максимум поглощения,наступает "насыщение" плазмы. Дальнейшее вложение энергии в плазму идет на ееувеличение в размерах вместе с ростом температуры или плотности.Если падающая энергия больше, чем порог пробоя, тогда пробой может начатьсядо того, как импульс достигает фокальной плоскости.
При большой падающейэнергии "затравочная" плазма движется от фокальной плоскости в сторонуисточника (лазерное горение), если энергия менее порога пробоя, но все же вобласти, где пробой возможен, то затравочная плазма остается в фокальной точке.Рис 4. Развертка во времени поглощения энергии при лазерномпробое [28].191.3 Основные явления происходящие при вложении ЭМ энергии в сверхзвуковыепотоки.Как показано в предыдущей главе, СВЧ и лазерный пробой имеют сходнуюфизическую природу, однако наиболее выгодные условия для возникновения этихдвух типов разряда достигаются при различных давлениях.
Для СВЧсантиметрового диапазона это единицы-десятки Торр (Рис 1), в то время как длялазерного излучение – десятки атмосфер [22] (Рис 2). Долгое время для инициациисамоподдерживающихся СВЧ разрядов применялись методы, требующие введенияв область разряда инициирующих электродов либо инициирующих антенн. Идеяиспользовать для инициации СВЧ разрядапри высоких давлениях, болеевыгодных для пробоя оптическим излучением, лазерную искру впервыепредложена и опробована в 1990 году [29].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
