Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер - Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (1161617), страница 77
Текст из файла (страница 77)
В заключение отметим, что вопрос об оптических свойствах нагретого воздуха еще не являотся решенным и исследования в этой области продолжаются. б. ПРОБОЙ И НАГРЕВАНИЕ ГАЗА ПОД ДЕЙСТВИЕИ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА э 22. Пробой Изобретение лазеров и совершенствование лазерной техники открыли широкие возможности для изучения различных явлений, происходящих при взаимодействии мощных потоков излучения с веществом.
В частности, несколько лет назад было открыто явление пробоя газов и образования «искры» под действием лазерного луча. Опыты [65 — 72[ показывают, что под действием светового потока достаточно большой интенсивности в газах, обычно прозрачных для соответствующего излучения, происходит пробой, т. е. образуются свободные электроны ч). Для пробоя нужны очень болыпие потоки лучистой энергии, и при мощностях современных оптических генераторов (с модулированной добротностью) такие потоки удается получить только путем фокусировки лазерного луча линзой (рис. 5.33).
Порог для пробоя, обычно исключительно резкий, принято характеризовать напряженностью электрического ноля световой волны. На рис. 5.34 в качестве примера показаны измеренные в работе [65[ пороговые поля для пробоя в аргоне и гелии при разных давлениях. В этих опытах рубиновый лазер с модулированной добротностью давал импульсы с длительностью 3 10 ' сек и максимальной (пиковой) мощностью до 30 Лувяз (энергия в импульсе до 1 длс).
Луч фокусировался линзой в круп<он с радиусом примерно г, = 10 ' см. Радиус фокусировки оценивался, во-первых, по угловой расходимости несфокусированного лазерного луча и, во-вторых, по размеру отверстия в золотой фольге, помещенной в фокусе, которое прожигал луч. Зная мощность лазера ») Хорошо известно и научено явление высокочастотного пробоя под действием излучения н микроволновом диапазоне частот [60].
19 я. Б. Зззздозкч, Ю. П. Бааз«Р 290 ПОГЛОЩЕНИЕ И ИСПУСКАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗАХ [ГЛ. ' и площадь кружка в фокусе, можно вычислить средние по площадке поток лучистой энергии и электрическое поле в световой волне а). 1'ак, были получены значения поля, фигурирующие на рис. 5.34. Рис. 3.33. Схема опыта по пробою. 1 — рубин, 2 — ксеноновые лампы накачки, 8 — поляризатор, 4 — ячейка Керра, Б — аеркало, б — линза, 7 — сосуд с газом, 8 — выход- ное отверстие; р — фокус, 10 — собирающие алсктроды.
О возникновении пробоя обычно свидетельствует световая вспышка, подобная вспышке в искре. Иногда факт пробоя устананлнвается путем вытягивания зарядов из области пробоя при помощи пары электродов, к которым прикладывается небольшое напряжение. Помимо аргона ВВВАЯ аи 111 г в В в Ю б 17 б г б Вгв в г б ВЮ р, бгбгртввт Рис, 3.34. Пробивающие поля в аргоне и гелии в аависнмости от давлении. и гелия исследовался и пробой в воздухе при нормальных условиях. Пороговые поля также имеют порядок 10' в/сбг. Надо полагать, что при достаточно больших интенсивностях потока лучистой энергии или электрических полях в световой волне возможно прямое вырывание электронов из атомов под действием излучения. Соответствующая квантовомеханическая задача была решена Л.
В. Келдышем ") Например, при мощностн 30 Мгт н радиусе кружка 10 г см поток энергии составляет примерно 10тэ грг~гмг сгя и поле 0,6 10г г!гм. ПРОБОИ 291 )73), который нашел общее выражение для вероятности вырывания. В пределе низких частот оно переходит в известную формулу для вероятности туннельного эффекта под действием статического поля, а в случае достаточно высоких (и, в частности, оптических) частот описывает много- квантовый фотоэффект, когда ионизация происходит в результате одновременного поглощения и квантов, энергия которых лйт превышает потенциал ионизации 1.
Вероятность многоквантового фотоэффекта пропорциональна л-й степеяи потока лучистой энергии или й»", где Ж— напряженность электрического поля. Для атомов и молекул с высокими потенциалами ионизацин, таких, как Аг, Не, )»ы Оы требуется большое число квантов: у рубинового лазера йт =- 1,8 зэ и, например, для аргона 7 = 15,8»в, п = 9, а для гелия 1 — — 24,6 »в и п = — 14. Поэтому вероятность вырывания исключительно резко зависит от поля. Оценки показывают, что для прямого вырывания электронов нз атомов за время лазерного импульса нужны очень большие поля ( 10' з/см). Эти электрические поля почти на порядок больше тех средних полей, которые в настоящее время достигаются на опыте, поэтому при сравнительно малых полях ( 10«вЂ” 10' в/сн) пробой происходит не за счет прямого вырывания электронов из атомов, а в результате развития электронной лавины.
Для начала развития лавины необходимо, чтобы в начале лазерного импульса в газе появились начальные «затравочные» электроны. По-видимому, многоквантовое поглощен>«е света, скорее всего на прнмесных атомах с низкими потенциалами ионизацни„и является источником образования затравочных электронов. Надо сказать, что распределение поля по площади кружка фокусировки не является равномерным.
Существуют очень малые области с локальными полями, которые значительно превышают поле, среднее по площадке. В этих областях и зарождаются первые электроны, которые кладут начало лавине. (Неравномерность распределения поля в фокусе связана с неоднородностью и расходимостью несфокусированного лазерного луча, а также является результатом аберрации линзы. Последний эффект детально исследован в работе Б.
Я. Зельдовича и Н. Ф. Пилипецкого )83).) Рассмотрим, как развивается электронная лавина. Электроны поглощают световые кванты при столкновениях с нейтральнымн атомами (см. 1 8а) и таким путем набирают энергию, достаточную для поннзации. В результате акта ионизацин вместо одного «быстрого» электрона появляется два «медленных», которые снова набирают энергию под действием излучения, ионизуют атомы и т. д.
Наряду с поглощением под действием интенсивного светового потока происходит и вынужденное испускание квантов таких же величины и направления, однако результирующий эффект является поло>кнтельным — электрон в среднем приобретает энергию от излучения и ускоряется. Скорость нарастания энергии электрона можно оценить с помо>пью формулы (5.57") для эффективного поглощения, которая как раз и описывает результирующий эффект истинного поглощения и вынужденного испускания квантов. Обозначим поток лучистой энергии с — —" — св» 8 ( ) 4 8я 4л где е» вЂ” средний квадрат электрического поля в световой волне.
В единицу времени в единице объема поглощается энергия излучения 6>«»„, а на один электрон Сх,„/Л',. Эта величина и представляет 49"' 292 ПОГЛОЩЕНИЕ И ИСПУСКАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗАХ [ГЛ. У собою среднюю скорость нарастания энергии электрона: ИЕ»»С езбз |й =чл»с»э »А= т э (5.116) Чтобы приобрести энергию, равную одному кванту йт, электрон должен испытать в среднем Ьтцтсуэ/еэ(/ столкновений с атомами. Например, при потоке б = 10" эрг/смэ сек, поле Г е» = 0,6 10' в/см и йт = 1,8 эв это число равно 200.
Чтобы набрать энергию, равную энергии иониза- ции 1 при отсутствии потерь энергии, нужно в 7//гт раз больше столкно- вений, например в гелии — 2700. Нри атмосферном давлении частота столк- новений электрона с энергией Е ж 10 зв в гелии составляет ж 2.10Г» 1/сек, так что необходимое время равно примерно 2700/т,с = = 1,3 10 ' сея. Эа время действия лазерного импульса 3 ° 10 ' сея народи- лось бы 3 10 з/1,3.10 ' = 23 поколения электронов, т. е.
на каждый «затравочный» электрон пришлось бы в среднем 2»' ж 10' электронов е*). Развитие лавины чрезвычайно чувствительно к интенсивности светового потока и плотности газа. Например, при увеличении потока или давления в два раза (поля — в 1,4 раза) скорость набора энергии и число поколений в лавине возросли бы вдвое, т. е. к концу импульса той же длительности на каждый «затравочный» электрон родилось бы не 10', а 10ы новых электронов.
Этой исключительной чувствительностью и объясняется обнаруженное на опыте существование резкого порога для пробоя газа как по мощности лазерного импульса, так и по давлению. Изложенные простые соображения о наборе энергии электрона под действием световой волны намечают лишь схему основного процесса. На самом деле развитие электронной лавины протекает значительно сложнее. Существенную роль играет возбуждение атомов электронами, энергия которых еще недостаточна для ионизации, но достаточна для возбуждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
