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

в ходе исследований лазерной искры даже большее внимание уде­ лялось второй: изучению общей картины течения газа, диагно­ стике лазерной плазмы, ее спектроскопии, поведению искры в магнитном поле, роли излучения плазмы и др. Были обнаружены примечательные особенности поведения искры, которые указы­ вают на присутствие эффектов самофокусировки лазерного излу­ чения.

Исследования искры, которые условно можно связать со вто­ рой группой вопросов, как правило, экспериментальные, зача­ стую имеют характер накопления фактов, описательный. Здесь нет какой-либо четкой, стройной теории, да, по-видимому, та­ ковой и не может быть, многие моменты остаются неясными даже в качественном отношении, а утверждения — спорными, в осо­ бенности когда речь заходит о самофокусировке. Мы ограничимся здесь только самым беглым обзором этих явлений с единственной целью дать общее представление том, как протекает процесс. Для более полного ознакомления с современным состоянием иссле­ дований по лазерной искре после пробоя и литературой рекомен­

Вслед за первоначальным пробоем газа в области фокуса из этого места во все стороны расходится плазменный фронт, чаще всего совпадающий с фронтом ударной волны. Как правило, бы­ стрее всего фронт движется вдоль оси луча по направлению к линзе.

Скорости распространения плазменного фронта измерялись во многих работах и различными методами: по фоторазверткам све­ чения искры [1, 19—23], по допплеровскому сдвигу рассеянного лазерного излучения [1, 13, 23], по изменению с течением вре­ мени очертаний светящейся области, полученному шлирен-мето- дом [24, 100], и с помощью голограмм [25, 26]. При умеренных мощностях лазеров порядка десятков или сотен мегаватт и фо­ кусных расстояниях линзы порядка нескольких сантиметров (именно эти условия являются типичными для многих опытов) начальные скорости движения плазменного фронта навстречу лучу имеют порядок 1 0 0 км!сек.

С течением времени скорость уменьшается. Это происходит по двум причинам. Во-первых, сказывается геометрический фактор: волна поглощения света продвигается вдоль расходящегося к линзе светового канала и попадает в область все меньших и меньших све­ товых потоков. Во-вторых, после прохождения через максимум падает мощность в самом лазерном импульсе. Измеренные ско­ рости в общем согласуются с теми, которые следуют из представ­ лений о световой детонации, в частности выполняется зависимость

D ~ (50/р0)‘Л.

Некоторые авторы ]2, 19] рассчитывали закон движения светодетонационной волны вдоль осевой координаты х по урав­

нению dxldt = D = const Sq\ подставляя фактическую опытную

170

функцию Sq (х, t) с учетом геометрического фактора и временного изменения мощности лазера, и получали разумное согласие с экспериментом. Расчеты гидродинамического движения делались

ив работах [56—58].

Вбоковых направлениях измеренные скорости плазменной границы обычно в 2 или несколько раз меньше, чем по направлению к линзе. Меньше они и в направлении от линзы. Только в самых легких газах (водороде и гелии), и притом в случае невысоких давлений, фронт распространяется от линзы также с большой скоростью. Это легко объясняется тем, что в этих случаях плазма довольно прозрачна и лазерное излучение поддерживает движение

изаднего фронта плазмы.

Об измерениях электронной температуры плазмы в стадии действия лазерного импульса (по рентгеновскому излучению) говорилось в подразделе 20.1. Следует добавить, что измерения, сделанные с пространственным разрешением [27], показали, что источником рентгеновского излучения и, следовательно, наиболее горячей, действительно является область, примыкающая к пе­ реднему фронту плазмы, т. е. к волне поглощения света.

Электронные концентрации в плазме искры измерялись интер­ ференционными, спектроскопическими, голографическими мето­ дами [25, 26, 28—34]. Большинство данных относится к поздней стадии, следующей за окончанием лазерного импульса, однако некоторые измерения выполнены и в стадии действия излучения.

превышающей однократную. Чтобы более определенно судить о степени ионизации, необходимо одновременно находить из опы­ та и плотность газа. Шаги в этом направлении были предприняты: применялись методы двухдлинноволновой интерферометрии [25, 26, 32, 53].

Вследствие того что скорости различных участков фронта ударной волны неодинаковы, поверхность фронта к моменту окон­ чания импульса имеет несколько грушевидную форму, обращен­ ную тупым концом к линзе и смещенную от фокуса в том же нап­ равлении. Эволюция плазменного фронта наглядно демонстри­ руется рис. 6 .8 , построенным по данным голограмм, из которых можно извлечь распределения электронной плотности в прост­ ранстве [25]. Пробой происходил в момент, отстоящий от максимума мощности на 15 нсек, когда мощность составляла еще только по­ ловину пиковой (энергия лазера 0,7 дж\ импульс имел примерно треугольную форму). Время отсчитывалось от момента пробоя. На рис. 6.9 показаны распределения электронной плотности вдоль луча для тех же моментов времени. Видно, что плотность максимальна вблизи переднего фронта ударной волны. Падение электронной плотности за фронтом связано с расширением нагре­ того газа — рекомбинация на этой стадии роли не играет, так как она протекает слишком медленно.

т

С течением времени после окончания лазерного импульса по­ верхность фронта ударной волны постепенно симметризуется, принимая форму, приближающуюся к сферической. Процесс на поздней стадии имеет много общего с ядерным взрывом в воздухе, будучи в некоторых отношениях его миниатюрной моделью. Сходство это тем разительнее, чем больше энергия лазерного им­ пульса, чем сильнее сфокусирован луч и чем короче импульс, т. е. чем лучше соблюдаются условия «точечности» и «мгновенности» выделения энергии.

Распространение взрывной волны ядерного взрыва описыва­ ется теорией Л. И. Седова [34], согласно которой радиус сфери­ ческой ударной волны изменяется с течением времени по закону

д = So (Я/Ро)* *’ ».

172

Здесь Ё — выделившаяся энергия; р0 — плотность исходного газа; £ 0 — численный коэффициент порядка единицы, зависящий от показателя адиабаты газа 7 .

Эта формула дает превосходное согласие с опытом в случае ядерных взрывов, т. е. при энергии, скажем, Е —1021 эрг [34]. При­ менение той же формулы к взрывной волне, образованной лазер­ ной искрой, т. е. при характерной энергии Е = 1 дж = 107 эрг, отличающейся на 14 порядков от ядерной, также дает разумное согласие с экспериментом, что демонстрирует силу подобия столь различных по своим масштабам процессов.

Явление похоже на ядерный взрыв и в другом отношении. Когда температура в затухающей ударной волне ядерного взры­ ва уменьшается до величины, недостаточной для возбуждения све­ чения газа, фронт ее становится невидимым. Он отрывается от границы высоко нагретой и потому светящейся области — так называемого «огненного шара» и уходит вперед; огненный шар, вначале ограниченный поверхностью ударной волны, остается внутри взрывной волны и расширяется гораздо медленнее [5, 35]. То же самое происходит и в лазерной искре, на что было об­ ращено внимание в работе Г. А. Аскарьяна, М. С. Рабиновича, М. М. Савченко и В. К. Степанова [36].

Вообще, экспериментальное исследование поведения лазер­ ной искры в течение лазерного импульса, т. е. в течение одного или нескольких десятков нанасекунд, сопряжено с гораздо боль­ шими трудностями, чем изучение всего процесса в целом, который длится десятки микросекунд, так что в большинстве работ изуча­ лась именно поздняя, растянутая во времени стадия, следующая после окончания лазерного импульса. Здесь использовались мно­ гие методы: фотографические (высокоскоростная покадровая съем­ ка процесса), спектроскопические измерения температуры, спек­ тральные, интерферометрические, голографические, микроволно­ вые измерения распределения электронных плотностей и т. д. Исследованиям такого рода, а также некоторым расчетам гидроди­ намики взрывного процесса при лазерной искре посвящены работы

[25, 26, 28, 32, 33, 37-61].

Вработе Г. А. Аскарьяна, М. С. Рабиновича, М. М. Савченко

иА. Д. Смирновой [42] было обнаружено явление, названное авторами «ореолом ионизации» (см. также [43, 44]). Оказывается,

значительный объем газа, окружающий взрывную волну, частич­ но ионизуется еще до прихода фронта ударной волны. Это про­ исходит под действием жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, испускаемых высоконагретой плаз­ мой центральной области искры.

Позднее, в лазерной искре, образующейся в результате про­

быстрое расширение области свечения с начальной скоростью 4000 км/сек [62]. Авторы связывают свечение с фотоионизацией

173