Файл: Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.pdf

этот очень сложный, и здесь еще далеко до полной ясности, так же как и в понимании явления пробоя сверхкороткими импульсами.

Вэнг и Дэвис 153] измеряли порог для пробоя атмосферного воздуха импульсами неодимового лазера с длительностями Д£ ~ ^ 20 псек, 1 нсек и 100 нсек. Пороги по интенсивности S относятся как ~ 1 : 2 : 100. Они предложили феноменологическое соотно­ шение S ~ <всД*[1 - ехр ( - ©СД<) - 1 с сос = 1,5-103 Нсек для описания зависимости S (Дt).

10.Одновременное действие лазерного импульса

иСВЧ-поля

Вработе А. П. Дарманяна, В. Е. Мицука и В. А. Черникова

[48]было обнаружено, что при одновременном действии гигант­ ского лазерного импульса и СВЧ-поля порог для пробоя суще­ ственно понижается по сравнению с порогами, соответствующими каждому из излучений в отдельности. Луч рубинового лазера с длительностью импульса 60 нсек и расходимостью 2 -1 0 ' 3 рад фокусировался линзой с / = 1,8 см внутри СВЧ-резонатора, ко­ торый представлял собой закороченный отрезок волновода се­

пульсе 100 кет, длительность 1 мксек). Максимальное СВЧ электрическое поле внутри резонатора в области фокуса дости­ гало 7-103 в!см. Вектор поля был направлен вдоль оси светового луча. Пробой регистрировался визуально и с помощью фото­ умножителя. Для всех исследованных газов (Аг, Кг, Не) и дав- ‘I лений (от 40 до 460 тор) СВЧ-поля были значительно ниже поро­ говых для пробоя. Даже при самом низком давлении 40 тор по- j ля были в 2 —3 раза ниже пороговых, а при более высоком давле­ нии — в еще большее число раз (при таких давлениях СВЧпороги растут с повышением давления, см. раздел 6 ).

При воздействии светового импульса порог по световому полю уменьшается в десятки раз по сравнению с полем, требующимся для пробоя газа при тех же условиях, но в отсутствие СВЧ-воз- действия. Результаты измерений показаны на рис. 2.23 для СВЧполя 7 -Ю3 в/см и на рис. 2.24 для разных СВЧ-полей.

Проделанные расчеты [48] развития электронной лавины на основе теории [24] и с привлечением результатов расчетов [9, 10] показали, что энергия электронов нарастает главным образом под действием не светового, а СВЧ-поля; роль света заключается в резком увеличении вероятности электрону проскочить зону воз­ буждения. Принимая во внимание это обстоятельство, вероятно, естественнее было бы говорить не о снижении порога светового пробоя при наложении СВЧ-поля, а, наоборот, об облегчении СВЧпробоя при воздействии лазерного импульса.

81

В работе А. Г. Акманова, Л. А. Ривлина и В. С. Шильдяева [58] было обнаружено, что напряжение пробоя газа между электро­ дами снижается, если газ подвергается многофотонной ионизации

Рис. 2.23. Пороговые поля излучения рубинового лазера для пробоя аргона (1) и при совместном действии излучения рубина и СВЧ-поля 7• 103 в/см (2) [48]

Рис. 2.24. Зависимость порогового лазерного поля от величины приложен­ ного СВЧ-поля [48]

1 — криптон, р = 160 тор; и — аргон, р = 100 тор

под действием ультрафиолетового излучения четвертой гармони­ ки неодима. Канал пробоя располагался вдоль светового луча. Отклоняя луч от нормали к плоским электродам, можно было создать направленный пробой. (См. также работу Л. В. Норинского [61] на эту тему).

11.Взаимодействие лазерного импульса с ионизованным газом

иэффекты нелинейного поглощения

11.1.Эксперимент. Известно, что искусственное создание за­ травочных электронов нисколько не облегчает условия для опти­ ческого пробоя газа. В работе [23] отмечается, что облучение газа ионизирующим излучением радиоактивного кобальта никак не повлияло на лазерный пробой. При более значительной пред­ варительной ионизации, — 1 0 11 1/см3, характер пробоя не меня­ ется, но порог понижается, для неодимового лазера — вдвое по интенсивности (см. подраздел 7.2).

Совершенно иной характер имеет процесс воздействия лазер­ ного импульса на газ, ионизованный в заметной степени. Этот

ности светового излучения. Собственно, при обычном пробое так­ же проявляется нелинейный характер поглощательной способ-

82

ностн газа в том смысле, что при слабых интенсивностях света, которые ниже пороговых для пробоя, поглощательная способность равна нулю, а выше порога — отлична от пуля и весьма высока. Однако в отличие от пробоя в обычных условиях при воздействии светового импульса на ионизованный газ процесс теряет резко выраженный пороговый характер, и переход от прозрачности к непрозрачности при изменении интенсивности света становится постепенным. Более того, в некотором диапазоне интенсивностей света поглощательная способность ионизованного газа становится меньше нормальной величины, соответствующей обычному (ли­ нейному) поглощению световых лучей слабой интенсивности, т. е. среда «просветляется».

В опытах [49, 50] ионизованный в должной степени газ — это был ксенон — получался за отраженной ударной волной в удар­ ной трубе. Температура непосредственно за отраженной волной

и скорости падающей ударной волны 1,82 км/сек. Ударная труба имела два смотровых окна, расположенных друг против друга по большому диаметру на расстоянии 1 см от заднего торца. Через эти окна пропускался лазерный свет и измерялось его ослабление в результате прохождения через плазму; путь в плазме, равный внутреннему диаметру трубы, составлял 8 см. Длительность им­ пульса рубинового лазера 50 нсек; луч фокусировался линзой с / = 3 см в кружок диаметром 1,35 *10—3 см в точку на оси трубы. Мощность падающего света изменялась нейтральными светофильт­ рами, причем исследовался большой диапазон мощностей в пре­ делах семи порядков.

Газ за ударной волной в ударной трубе всегда охлаждается из-за потерь на излучение. Поэтому, для того чтобы в каждом из многочисленных опытов импульс проходил через плазму с одни­ ми и теми же параметрами, лазер должен был срабатывать в стро­ го определенный момент времени после прохождения отраженной ударной волны мимо смотровых окон. Это достигалось путем со­ ответствующей синхронизации.

На рис. 2.25 показано отношение прошедшей световой мощно­ сти к падающей P J P 0 (кривая 1 — 10000°, 2 — 9000°) в зависи­ мости от падающей Р 0. Последняя представлена в относительных

света той же линзой. Плотность плазмы в опытах соответствует давлению холодного ксенона р « 200 тор. Измеренная в этих опытах пороговая интенсивность St = 1,4 -1011 вт/см2 хорошо согласуется с данными [8 ]. Кривая 3 дает то же самое для холод­ ного ксенона. Видно, насколько резок порог для пробоя холод­ ного газа и как медленно и постепенно нарастает поглощение све-

83

fa при увеличении его мощности, если газ предварительно иони­ зован. В случае холодного газа при пороговой мощности через плазму пробоя проходит только 1 0 % падающего излучения, а при мощности, всего в полтора раза меныпей, никакого ослабления света вообще не удается заметить. Если же газ предварительно ио­ низован, поглощение света начинает нарастать еще при мощно­ сти, в 100 раз меныпей, чем пороговая. Можно сказать, что под действием лазерного света происходит «потемнение» плазмы.

Из рис. 2.25 видно, что при мощностях, составляющих 10~4 — 1 0 - 2 от РI, относительное прохождение луча через плазму оказы­ вается более сильным, чем в случае малых интенсивностей света, когда она не зависит от интенсивности, поскольку коэффициент поглощения плазмы является постоянным. Это означает, что под действием света происходит «просветление» плазмы. Кривая 2 рис. 2.25 относится к моменту времени 300 мксек после прохожде­ ния отраженной ударной волны мимо смотровых окон в ударной трубе. За это время исходная плазма остывает на 2000°, т. е. до

9000°.

Кривая 1 относится к моменту 100 мксек, что соответствует охлаждению плазмы к моменту лазерного импульса только на 1 0 0 0 °, т. е. более высокой степени ионизации и более сильному поглощению в линейной области. Параметры этой плазмы таковы:

Т = 10 000°, Na = 6,1-1018 1 /см3, Ne = 0,38-1018 1!см\ степень ионизации — 6 %, измеренный коэффициент поглощения света слабой интенсивности = 0,105 смГ1 (это есть эффективный коэф­ фициент, учитывающий вынужденное испускание, см. подраздел 5.3). В этом случае эффект просветления выражен более явствен­

но, ибо он появляется на фоне более сильного линейного погло­ щения.

Итак, опыт показал, что при интенсивностях лазерного света меньше — 1 0 7 вгп/см2 коэффициент поглощения ионизованного газа

84

той же плотности, состояние плазмы в фокусе оказывается одним и тем же независимо от того, был ли газ предварительно ионизо­ ван или нет. Плазма в фокусе при этом почти полностью погло­ щает лазерный луч.

11.2. Физические причины «просветления» и «потемнения» плазмы. Оба обнаруженных на опыте нелинейных эффекта: «про­ светление» и постепенное «потемнение» частично ионизованного газа — связаны с воздействием поглощаемого света на плазму, которое приводит к изменению ее состояния, причем состояние это становится существенно неравновесным. Имеются два основ­ ных механизма поглощения света в частично ионизованном газе: связанно-свободные переходы, или фотоионизация атомов, и сво­ бодно-свободные, или тормозное поглощение, при рассеянии элект­ ронов в поле ионов. Коэффициент фотоионизационного поглоще­ ния складывается из парциальных коэффициентов, соответствую­ щих атомам, находящимся в различных квантовых состояниях, Рш = hN non, где Nn — число атомов на п-м уровне в 1 см3, оп — сечение фотоэффекта для этого уровня. Сумма распростра­ няется только на те довольно высоко лежащие уровни, где энер­

В результате поглощения лазерного света электронный газ нагре­ вается и его температура возрастает. Как показывают оценки, заметное нагревание происходит как раз при тех интенсивностях, при которых начинается просветление.

Повышение температуры способствует ионизации возбужден­ ных атомов при столкновениях с электронами. Ионизация происхо­ дит очень быстро при температурах 10000° К, за времена порядка Ю- 1 1 сек, очень малые по сравнению с длительностью лазерного импульса. Повышение температуры ведет и к одновременному ускорению актов возбуждения атомов из основного состояния при электронных ударах. Однако процесс возбуждения (и ионизации) атомов из основного состояния идет значительно медленнее, чем ионизация возбужденных атомов, так как требует гораздо боль­ шей затраты энергии. В обычных (равновесных) условиях этот

вают происходить, и в результате преимущественного действия быстрого процесса ионизации возбужденных атомов заселенность

85