ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 1, с. 53-62
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.083.91+53.082.54+53.088.7
КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА ИНТЕРФЕРОГРАММ СВЕТОЭРОЗИОННЫХ ГАЗОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
В ВАКУУМЕ
© 2013 г. Е. Ю. Локтионов, Ю. Ю. Протасов, В. Д. Телех, Р. Р. Хазиев
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 E-mail: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 24.11.2011 г. После доработки 24.01.2012 г.
Разработана методика автоматизированной обработки результатов интерферометрии светоэрози-онных газово-плазменных потоков с использованием приближения локального термодинамического равновесия и данных о массовом расходе вещества мишени. Применение методики позволило оценить пространственно-временное распределение оптических (коэффициенты преломления и поглощения), теплофизических (температура, плотность, концентрация электронов), газодинамических (распределение частиц по скоростям, среднемассовая скорость, давление) и оптомеханиче-ских (удельный механический импульс отдачи) характеристик светоэрозионных газово-плазменных потоков. Рассмотрены особенности применения частотных фильтров на различных этапах автоматизированной обработки результатов измерений. Приведены примеры обработки с использованием разработанной методики экспериментальных результатов, полученных при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на конденсированные среды.
DOI: 10.7868/S0032816213010072
ВВЕДЕНИЕ
Светоэрозионные газово-плазменные потоки генерируются при высокоинтенсивном оптическом воздействии на поверхность конденсированных сред. Характерные времена жизни таких потоков изменяются от 10-8 до 10-2 с [1] и определяются как параметрами и условиями оптического воздействия, так и природой мишени. При этом характерные времена плазмодинамических процессов в них стремятся к времени электрон-фононной релаксации облучаемой среды ~10-11— 10-10 с [2], а характерные времена газодинамических процессов составляют ~10-9—10-8 с [3]. Исследование таких потоков представляется актуальным как для решения задач современной физики неравновесной пространственно неоднородной плазмы высокой плотности, так и в связи с многочисленными техническими задачами, возникающими при разработке новых методов генерации и ускорения газово-плазменных потоков в плаз-менно-лазерных ускорителях и инжекторах, лазерных ракетных микродвигателях и плазменно-пучковых технологиях высокой плотности мощности [1].
Исследование динамики и макроструктуры све-тоэрозионных газово-плазменных потоков осложняется недостаточной разработкой инструментальных методов диагностики малоразмерных
плазменных структур и протекающих в них сверхбыстрых оптогазодинамических процессов [4]. Применение интерференционных методов теоретически позволяет достичь необходимого пространственно-временного разрешения в сочетании с высокой информативностью. Стоит отметить, что нередко результаты интерферометрии с цифровой регистрацией и преобразованием данных с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье [5, 6] обрабатываются недостаточно полно [7, 8]. Как правило, возможности такой обработки ограничиваются нехваткой данных о массовом расходе вещества мишени при лазерной абляции [9, 10], что приводит к снижению эффективности применения этих сложных и трудоемких методов. Другим ограничением является необходимость создания сложного программного обеспечения для массового анализа экспериментальных интерферограмм.
Целью данной работы является разработка методики комплексной обработки экспериментальных результатов комбинированной интерферометрии [11] светоэрозионных газово-плазменных потоков, генерируемых при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на твердотельные мишени. Применение методики позволяет найти пространственно-временные поля распределения показателей преломления и поглощения, концентрации электронов и атомов, скоростей
мкм 550
500
450
400
350
1751501251007550
(а)
100 200 300 400 500
:' 1тг 1 ни
III ' V
(б)
' НЬ #; и; "; мгм
1)1
ШШ111
1 V 1
ышШшйк .¿л шинШ
Щ 1В№ Ш, ¡1
50
75
100 125 мкм
150
175
Рис. 1. Исходные данные для анализа: интерферограммы и приповерхностного газово-плазменного потока (а) и поверхности мишени (б).
частиц, заторможенной и термодинамической температуры и, как следствие, полного и статического давлений, а также оценить степень ионизации плазмы, среднемассовую скорость атомов, удельный механический импульс отдачи [12], баланс потенциальной и кинетической энергии светоэрозионного газово-плазменного потока и эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию светоэрозионного газово-плазменного потока.
Получение такого массива результатов возможно при одновременной регистрации интер-ферограммы поверхности (рис. 1б) облучаемой мишени (или данных о массовом расходе вещества мишени при единичном лазерном воздействии) и интерферограммы лазерно-индуциро-ванного газово-плазменного потока (рис. 1а). Первичными результатами обработки этих ин-терферограмм являются данные о массовом расходе вещества мишени в результате однократного
лазерного воздействия и данные об изменении фазы и амплитуды волнового фронта зондирующего излучения, проходящего через газово-плаз-менный поток. Следовательно, при известном времени задержки экспозиции относительно лазерного воздействия и при допущении, что газо-во-плазменный поток обладает осевой симметрией, интерферограммы представляют собой 6-мерные массивы данных: три пространственные и одна временная координаты, а также изменение фазы и амплитуды фронта зондирующего излучения. Применение приближения локального термодинамического равновесия [13] позволяет на основе данных о концентрации электронов и коэффициенте поглощения получить термодинамические и оптические характеристики светоин-дуцированных газово-плазменных потоков, используя уравнения равновесной термодинамики [14]. Такой подход к постановке эксперимента и комплексной обработке его результатов применяется впервые. Результаты хорошо соответствуют известным из литературы данным, полученным другими методами в близких экспериментальных условиях [15, 16] или при численном моделировании [17].
О ТЕХНИКЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве исходных данных в настоящей работе использовались интерферограммы потока (рис. 1а) и поверхности (рис. 1б), полученные методом комбинированной лазерной микроинтерферометрии с применением экспериментальной установки на основе тераваттного фемтосекунд-ного лазерного комплекса (т ~ 45—70 фс, X ~ 266, 400, 800 нм, 10 до 1015 Вт/см2). Более подробное описание техники эксперимента, методики регистрации и первичной обработки экспериментальных данных приводится в [11, 12]. Существенной особенностью примененной в эксперименте оптической схемы является наличие двух интерферометров для одновременной регистрации как оптико-теплофизических процессов на поверхности облучаемой мишени (схема Майкельсона), так и оптико-газодинамических процессов в све-тоэрозионном газово-плазменном потоке (схема Маха—Ценд ера). Совместная обработка экспериментальных данных этих интерферометров позволяет существенно повысить информативность исследования. Пространственное разрешение интерферометров составляло ~1 мкм, временное разрешение оптической схемы ~10-13 с, разрешение при определении массового расхода ~10-11 г [11]. Особенностью разработанной методики является возможность пакетной обработки экспериментальных данных в автоматизированном режиме для любых случаев, когда имеются данные о массовом расходе вещества мишени при единичном воздействии лазерного излучения и интерфе-
рограмма светоиндуцированного газово-плаз-менного потока, соответствующая этому воздействию.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Зарегистрированные интерферограммы обрабатывались с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье [18, 19] для получения полей распределения фазового сдвига волнового фронта (рис. 2а) и изменения интенсивности (рис. 2б) отраженного от поверхности или прошедшего через газово-плазменный поток зондирующего излучения (аналог теневой картины) [5]. Полученные таким образом данные анализировались в соответствии с разработанной расчетной схемой, представленной на рис. 3; принятые допущения и использованные расчетные соотношения приводятся далее по тексту статьи.
Исходными данными для определения показателя преломления среды Аи являются картины сдвигов фазы волнового фронта зондирующего излучения [20]:
(а)
Аф = |(1 - п)с1! = |*Апй/,
(1)
где Аф — значение сдвига фазы на участке а—Ь; и и Аи — показатель преломления и его изменение. При этом поток считается осесимметричным, а функция распределения параметра Аи — монотонной, что позволяет применить уравнение Абеля для восстановления значений показателя преломления в соответствии с [21, 22]:
АФ (у) = 2 [
п (г) г 2 -
йг,
(2)
у
где Аф (у) — сдвиг фазы на расстоянии у от оси симметрии потока; Дп (г) — изменение показателя преломления на расстоянии г от оси симметрии потока; Я — радиус поперечного сечения потока. Однако нередко такое допущение некорректно (например, при наличии ударной волны), в таком случае необходимо применять алгоритмы, позволяющие учитывать скачкообразное изменение параметров [23].
Изменение показателя преломления обусловлено вкладом не только электронов, но также атомов и ионов разных кратностей. Вклад каждой из этих составляющих может быть определен экспериментально с использованием многочастотной интерферометрии [24] либо выполнена оценка вклада той или иной составляющей для данной длины волны зондирующего излучения по ожидаемому соотношению концентрации электронов и атомов [25]:
800 700 600 500 400 300 200 100
ф/2я
1-0.075 0.002 0.080 0.157 0.234 0.312 0.389 0.466 0.544 0.621 0.698 0.776 0.853 0.915
(б)
800^ 700^ 600^ 500^ 400^ 300^ 200^ 100^
0.98 1.12
100 300 500 700 900 1100 мкм
Рис. 2. Поля сдвига фазы (а) и логарифма отношения амплитуды волнового фронта зондирующего и прошедшего излучений (б) (белой линией обозначена граница мишени, крестиком — область воздей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.