Диссертация (1149204), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для оценки энерговклада от лазерногоимпульса по изображению был произведен анализ радиуса ударных волн взависимости от времени при различных давлениях. Лазерный разряд удовлетворяетусловиям задачи точечного взрыва без учета противодавления только в первыемикросекунды после лазерного пробоя. Получить же качественное теневоеизображение ударной волны в начальные(1-2мкс) моменты времени невозможноввиду засветки от лазерной плазмы.В работе Седова [30] показано, что если скорость распространения ударнойволны D больше скорости звука в невозмущенной области a1 в 10 раз, тоупрощенная модель “сильного взрыва” дает ошибку менее 5 %.
Как показаноранее, при имеющейся мощности лазера взрыв не является сильным и его нельзярассчитывать без учета противодавления. При учете же противодавления нельзяполучить аналитического решения.Численное решение задачи с учетом противодавления подробно описано вработах[51-54].39Решение задачи с учетом противодавления позволяет расширить областьвремени для которой хорошо рассчитываются ударно-волновые структуры отлазерного вложения энергии до 6..10 мкс после лазерного пробоя .
Затем (привременах более 10мкс) интенсивность ударной волны падает и скорость еестановится приближенно равной скорости звука в среде.Решалась обратная задача: параметры «взрыва», а именно область вводаэнергии r0, начальная энергия E0 варьировались при неизменном начальномдавлении P таким образом, чтобы результат вычислений как можно лучше совпадалс полученными фотографиями реального эксперимента в котором для пробояиспользовался импульс с энергией 145мДж. Энергию E0, соответствующуюнаилучшему совпадению принимали за энерговклад лазерного импульса в ударноволновые структуры в газе. По результатам вычислений рассчитывалсякоэффициент преобразования энергии a=E_0/E_laser. Все действия повторялисьдля ряда начальных давлений.Давление,E_0,A760170,124006.50,051500.20,001торрмДжДанный результат хорошо согласуется с увеличением лазерных пробойныхполейспонижениемдавления:чемпозднеедостигаютсяпробойныенапряженности поля, тем больше лазерной энергии проходит сквозь областьфокусировки без взаимодействия с веществом.В предположении что лазерное излучение и сама лазерная искра существенноизменяют концентрацию электронов только в малой области вблизи фокуса, можноутверждать что на коэффициент преломления, а значит на Шлирен-фотографии,полученные в результате эксперимента, влияет только градиент плотности воздуха.Было принято решение в численном моделировании вложения энергии40производить расчеты не только радиуса ударной волны, но и всю структуруплотности газа в области пробоя (Рис 17).Рис 17 Распределение плотности газа вдоль оси потока после лазерногоразрядаВ сверхзвуковом потока с числом Маха 1,5 ударно-волновые структуры отлазерной искры перемещаются вместе с воздушным потоком со скоростью V = 0.5мм/мкс.Таким образом, нагретая разреженная область образованная первойлазерной искрой полностью уходит из области каустики лазерного луча за 6 - 10мкс.
Это дает возможность реализовать вторую лазерную искру при условиизадержки между лазерными импульсами более 6мкс.Газодинамические процессы в таком эксперименте нельзя рассчитывать водномерном приближении. Так как задача имеет две плоскости симметрии, торационально проводить трехмерные расчеты только в четверть исследуемойобласти. Размер сетки выбиралсядля обеспечения достаточно высокогопространственного разрешения 500x250x250 внутренних ячеек (31 млн. ячеек).При этом шаг сетки составлял = ∙ − м [55].41Как было показано выше для одиночного лазерного разряда при давлении дляp1 = 150 Торр коэффициента поглощения составляет всего _ = 0,14 %.
Поэтомурасчет производился для энергии E1 = 0,2 мДж. Энергия считалась мгновенновводимой в поток с числом Маха M = 1,5 на оси и на расстоянии 5 мм от началарасчетной области. Возмущения от лазерной искры сносится вниз по потоку ичерез Δt1 = 30 мкс производился повторный ввод энергии.На Рис 18 представлены профили плотности через Δt2 = 10 мкс после второговвода энергии. Так как энергия ввода очень мала, правая ударная волна имеетмалую интенсивность. Слева дано распределение плотности, в увеличенноммасштабе.На этом графике видно все три ударные волны.Рис 18 Распределение плотности газа вдоль оси потока после двух лазерныхразрядов.2.3Эффективность вложения энергии лазера пикосекундногодиапазона в газ.Установка [56] для оценки эффективности вложения энергии в воздух припробое лазером пикосекундного диапазона была создана на базе стенда компании«Мултитех» СПб.Эксперимент проводился в воздухе, при атмосферном давлении.
Былприменен твердотельный Nd/YAG лазер с ламповой накачкой и пассивным42затвором (LiF2). При использовании ВРМБ компрессора лазер реализуетединичные импульсы пикосекундного диапазона (400пс) с энергией в импульсе3,5мДж(1064нм) и 0.75мДж (532нм – вторая гармоника). Измерение длительностиимпульсапроводилосьприпомощисамостоятельноавтокореллятора, измерения энергии импульсаизготовленного- измерителем мощностиMulektron.Для визуализации ударно – волновых структур, возникающих в воздухе прилазерномпробое,быларазработанаоптическаясхемасприменениемавтоколлимационного теневого метода и импульсной подсветки на основемощного светодиода(см Рис 19). Длительность импульса подсветки – 0.5;1;2мкс,позиционирование во времени импульса подсветки относительно лазерной искрыот 1 до 256 мкс, точность позиционирования не хуже 0.125 мкс, областьнаблюдения - ~ 50*35мм, пространственная точность 0.1 мм.Эксперимент производился следующим образом: при открытии затворафотоаппарата срабатывала вспышка, по ее сигналу запускался блок питания лазера(БП) и спустя 150–155 мкс генерировался лазерный импульс, который направлялсяна линзу 11, в фокусе которой инициировалась лазерная искра 4.
Моментобразования лазерной искры фиксировался фоточувствительной схемой 5, иустройство временной задержки 6 генерировало микросекундный импульс запускаподсветки 7. При помощи описанной высокочувствительной теневой схемы (LEDподсветка, щель 7,сферическое зеркало 4, светоделительный кубик 8, нож 9,фотоаппарат 10) могут быть изучены весьма слабые ударно- волновые структуры,возникающие при малых вложениях энергии.При использовании 15мм фокусирующей линзы устойчивый оптическийпробой наблюдался при энергиях в импульсе от 0.75 мДж.
Для более традиционныхлазеров без компрессора с длительностью импульса в 5..8 наносекундпотребовались бы импульсы с энергией в 30-40мДж. Интегральные фотографииполученных лазерных искр см Рис 21, Рис 22. Типичную теневую фотографию наРис 2343Рис 20 Оптическая схема Nd:YAG лазера (400пс, 3,2 мДж 1.064,0,75 мДж 0.532)Рис 19.
1 – лазер, 2 – зеркало (f = 700mm), 3 – сферическое зеркало, 4 –лазерная искра, 5 – фотодиод, 6 – генератор задержки,7 – LED подсветкии щель, 8 – светоделительный кубик, 9 – нож, 10 – фотоаппарат совспышкой, 11 – собирающая линза ( f = 15mm)44Рис 21 Лазерная искра.Рис 23 Ударно-волновые структурыв воздухе вызванные лазернойискрой (1064нм, 3.2мДж).Рис 22 Лазерная искра.Рис 24 Дифракционная картинарассеянияхвосталазерногоимпульса на лазерной плазме45В результате была получена зависимость радиуса ударной волны от временипо которой производилась оценка количества вложенной в ударно-волновыеструктуры лазерной энергии в приближении сильного точечного взрыва без учетапротиводавления [30]. Данная постановка задачи имеет два допущения:- Область возмущенного течения много больше начальной областизанимаемой газом, поэтому массой газа в начальной области и ее размером можнопренебречь.- Давление за ударной волной все еще много больше давления перед ней,поэтому можно пренебрегать давлением перед ударной волной.
Эти два условияявляются противоречивыми. Но для некоторых случаев существует такойпромежуток времени, для которого оба эти условия выполняются (этаппромежуточной асимптотики).Для импульсов с энергией в 3.5 мДж удалось получить энергию вложенную вударно волновые структуры в 0.9+/-0.4 мДж Рис 25. Это соответствуетэффективности вложения 30+/-15 % .Можно сделать вывод что применение пикосекундных лазеров для инициацииСВЧ разряда перспективно, так как напряженности поля, необходимые дляобразования лазерной искры достигаются при меньших (по сравнению снаносекундными лазерами) энергиях лазерного импульса.
При этом образованиетепловой ямы плотности происходит с большей эффективностью.Примечательно, что при рассеивании хвоста лазерного импульса на лазернойплазме образованной этим же импульсом наблюдается устойчивая дифракционнаякартина, при помощи которой удалось оценить реальные размеры области лазернойплазмы в этом эксперименте(100-200 микрон) Рис 24.46Рис 25 Интерпретация результатов исследования ударно-волновыхструктур.
Синяя кривая – данные [10] красные квадраты –результат эксперимента472.4Лазерная инициация СВЧ разрядаПорог пробоя СВЧ разряда для концентраций воздуха характерных дляисследуемого диапазона давлений(50-150Торр) весьма высок. Так же сложназадача локализации разряда – квазиоптические схемы фокусировки будут даватьмножественные максимумы поля в области фокуса. Обе проблемы имеют решение,в частности, с помощью лазерной инициации СВЧ разряда. Принципиально дляэтого могут быть использованы несколько методов инициации лазернымизлучением:резонансноевозбуждение[2],нерезонансное(подпороговое)возбуждение [46] [23], [25] и прямая инициация лазерным пробоем [43].В результате лазерного пробоя возникает область повышенных температур, вкоторой создаются выгодные условия для СВЧ разряда (понижается концентрациячастиц, что соответствует снижению давления при нормальной температуре).Таким образом возможно произвести точечную (начальную) инициацию СВЧразряда.Из работы [57] известно, что эффект снижения порога пробоя для СВЧ вобласти лазерной искры наблюдается с 6..10 до 80..120 микросекунды послелазерного импульса.
Эти два факта позволяют реализовать инициацию СВЧразряда двумя лазерными импульсами с задержкой между импульсами в 10..120мкс.Рис 26 1 — сверхзвуковой поток, 2 — область максимума СВЧ поля, 3 —лазерная искра, 4 — фокусирующая линза, 5— лазерный луч.48Рассмотрим геометрию эксперимента по лазерной инициации СВЧ разряда нанашей экспериментальной установке: Рис 26Очевидно, что СВЧ разряд будет инициирован в области пересечениямаксимума СВЧ поля и ударно-волновых структур, образованных лазерной искрой.Благодаря протяженной форме области фокуса СВЧ антенны (вытянутыйэллипсоид, около 80мм протяженностью) появляется возможность изменятьположение инициированного СВЧ разряда в пространстве простой перестройкойположения фокуса лазерной фокусирующей системы.Был проведен ряд экспериментов по инициации СВЧ излучения лазернойискрой в неподвижном воздухе при разных давлениях.
Параметры системылазерной инициации (145мДж, фокусное расстояние фокусирующей линзы 23мм,6нс) и СВЧ генератора(мощность в импульсе до 200кВт, длительность импульса1.5…4 мкс, поле в максимуме 4.6….4.7 кВ/см) позволяют получать лазерную искрув диапазоне давлений от 100 до 760 торр и самостоятельный СВЧ разряд вдиапазоне от 40 до 100 Торр. При лазерной инициации удается устойчиво получитьСВЧ разряд при давлениях от 40 до 760 торр. При этом стоит отметить что придавлениях ниже 100…110 торр лазер не инициирует, но в значительной мерестабилизирует СВЧ разряд как по пространственным так и по временнымхарактеристикам.
Этот эффект объясняется образованием затравочных электроновпри взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с воздухом.Дальнейшие эксперименты были направлены на лазерную инициацию СВЧразряда в сверхзвуковом потоке. Поскольку завремя длительности СВЧразряда(1.5-3мкс) газ в потоке с числом маха 1.5 смещается всего на 0.5 мм, неожидалось существенных различий в развитии разряда в неподвижном воздухе исверхзвуковом потоке. Что и было показано на практике. Очень важным фактомявляется то, что нагретая область от лазерного пробоя смещается вместе с потокомвоздуха, что позволяет позиционировать СВЧ разряд в пространстве по оси фокусаСВЧ антенны и потока простой регулировкой задержки между лазерным и СВЧимпульсами.49Рис 27 СВЧ разряд, инициированный одиночной лазернойискрой. Число Маха потока 1.6, статическое давление127Торр, СВЧ импульс 3мкс мощностью 200кВт с задержкойотносительно инициирующего лазерного импульса(145мДж,10нс) в 60мкс.Из работы [7]известно, что эффект снижения порога СВЧ пробоя в областилазерной искры наблюдается с 6..10 до 80..120 микросекунды после лазернойинициации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
