Естественные науки
Физико-математические науки Механика
Теоретическая .механика
Покровский С.Г., кандидат технических наук, директор ООО «Научно-производственное предприятие «Про-ект-Д»
СНИЖЕНИЕ ПОРОГА ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ВОЗДУХА НА ФРОНТЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОБЛАСТИ ДВОЙНОГО УДАРНОГО СЖАТИЯ
(й~1-10 М; Х=1.06 МКМ)
При исследовании оптического пробоя воздуха в сдвоенных наносекундных импульсах лазерного излучения выявлен механизм снижения порога оптического пробоя во втором импульсе, а также механизм возникновения экранировки лазерного излучения, нетривиального для плотности частиц воздушной при атмосферном давлени плазмы полной однократной ионизации и длине волны 1.06 мкм. Он заключается в том, что за фронтом ударной волны(УВ), распространяющейся от первичного пробоя, образуются условия для развития теплового взрыва в излучении следующего импульса, ударная волна которого догоняет и «дожимает» первичную УВ до плотности частиц, способной обеспечивать «плазменное зеркало». Получены теневые фотографии, фиксирующие основные особенности явления. Одновременно объяснено и подтверждено теневыми фотографиями явление стратификации оптического разряда, являющегося серией последовательных оптических пробоев на распространяющихся УВ.
Введение
Снижение порога оптического пробоя на ударной волне(УВ) является общеизвестным и признанным фактом. Ряд физических моделей, в частности, модель светодетонационной волны прямо связывает параметры УВ и мощность лазерного излучения, поглощаемую на фронте. Однако эти модели описывают, прежде всего, режим поддержания режима оптического разряда, развитие УВ при этом происходит в условиях постоянно действующего притока энергии на фронте. Основной диапазон применимости моделей - интенсивные УВ, имеющие скорости 5-100 км/с. В технологических применениях возникает качественно иная задача. При воздействии лазерного излучения на вещество формируется микро-взрыв(тепловой взрыв капельных аэрозолей, объемный взрыв в пористых или композитных материалах, в слоистых структурах). Интенсивное лазерное излучение в виде одиночного импульса наносекундной длительности или очередного короткого(101-102 нс) пичка, из числа составляющих длинный(10-3 с) лазерный импульс, взаимодействует со сравнительно низкоинтенсивной УВ, которая до прихода энергии очередного лазерного импульса(пичка) распространяется свободно. УВ, имеющая скорость в диапазоне 1-10 Мах, характерная для этих технически важных случаев, развивается также и в случае отсутствия мишени при расширении очага оптического пробоя воздуха в коротких импульсах после завершения импульса. В [1] в экспериментах с двойными лазерными импульсами было показано, что в течение времени порядка 1 мкс, т.е. в течение времени существования УВ, наблюдается значительное экранирование прохождения мощного лазерного излучения (Рис. 1), которое сопровождается возникновением очага оптического пробоя, локализованного ориентировочно на фронте УВ(на основании фотохронограмм развития плазмы).
100 -
Тт%
Нить
Аэрозоль
50 -
0
0.2 0.4 1 3 5 20 50 80время,мкс
Рис. 1. Пропускание мощного лазерного излучения на длине волны Х=1.06 мкм окрестностью зоны оптического пробоя в экспериментах с двойными лазерными импульсами
Вопрос о природе экранирования на длине волны 1.06 мкм в воздухе атмосферного давления является, по-видимому, принципиальным. Действительно, если на фронте УВ в поле лазерного излучения возникает плазменное образование, то наблюдаемая в условиях коротких импульсов толщина ярко излучающего слоя нередко составляет менее 100 мкм. Если при этом экранировка имеет своей природой поглощение лазерного излучения в плазме, то для значительной экранировки необходимо, чтобы коэффициент поглощения составлял величину порядка 100 см-1. Такого порядка коэффициенты поглощения легко реализуются в плазме полной однократной ионизации воздуха атмосферного давления при электронной температуре в несколько эВ. В условиях детонационного развития плазменного образования для поддержания существования такого плазменного образования на фронте УВ требуются интенсивности излучения 109-1010 Вт/см2. При меньших интенсивностях расчетные коэффициенты поглощения лазерного излучения оказываются недостаточными для заметного экранирования. Фактически же нижним пределом интенсивностей, при которых в эксперименте наблюдается значительное экранирование при взаимодействии ЛИ с УВ, являются величины порядка (3-5)-10 Вт/см , как, например, в экспериментах с ограничением бокового разлета УВ, описанных в [2].
Другим фактором, способным обеспечить значительное экранирование является полное отражение лазерного излучения от плазмы с плазменной частотой выше частоты излучения лазера. Однако, в воздухе атмосферного давления полная однократная ионизация не обеспечивает необходимую плазменную частоту при длине волны падающего лазерного излучения 1.06 мкм. Также недостаточным является и повышение электронной концентрации при полной однократной ионизации за счет повышения плотности воздуха в УВ, поскольку асимптотический предел сжатия в ударной адиабате равен 6(с учетом изменения адиабатической постоянной за счет процессов диссоциации и ионизации - до 8[3]). Для достижения же критической электронной плотности число электронов в плазме должно превышать число атомов в воздухе атмосферного давления в 16 раз.
В настоящей работе предпринята попытка несколько уточнить представления о природе снижения порога оптического пробоя на УВ в воздухе в излучении неодимового лазера и тем самым уточнить представления о природе возникающей при этом экранировки.
Схема теневой установки
Измерение порога оптического пробоя воздуха на УВ выполнялось на теневой установке, изображенной на Рис. 2. Излучение 1-го лазера создает область первичного оптического пробоя воздуха, расширение которой после окончания импульса возбуждает ударную вол-ну(УВ). В направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения 1-го лазера, на зону распространения УВ фокусируется импульсное излучение 2-го лазера. Часть пучка с помощью светоделительных пластин 5 направляется на калориметрический измери-
тель энергии импульса и для подсветки теневой схемы. Кристалл КБР преобразует излучение во 2-ю гармонику с длиной волны 0.53 мкм. Светофильтр 1 отсекает излучение с Х= 1.06 мкм. Телескопическая система 2 расширяет пучок излучения подсветки и фокусирует его на нож 3 теневой схемы, представляющий собой металлическую нить диаметром 0.2 мм. Теневая картина взаимодействия лазерного излучения и УВ фиксируется на фоне интегрального свечения плазменных очагов фотоаппаратом 4 с открытым затвором. (Точность измерения положения УВ при этом определяется временем подсветки схемы - длительностью импульса 2-го лазера 15 нс). Линзы 6 фокусируют излучение лазеров. Сменные калиброванные светофильтры 7 используются для регулирования энергии пучка при измерении порогов оптического пробоя в излучении 2-го лазера. Излучение 2-го лазера направляется в исследуемую область с регулируемой задержкой после импульса 1-го лазера. Годограф УВ получается при фиксации положения фронта в серии импульсов с одинаковыми условиями образования первичного пробоя, но при различных задержках импульса 2-го лазера.
Рис. 2. Схема теневой установки для исследования порога оптического пробоя на ударной волне
УВ от микровзрыва за фронтом первичной ударной волны
Фото 1 (а, б). Теневые фотографии вторичного пробоя и поясняющая схема системы возникающих ударных фронтов
Значительное различие в начальных скоростях и положениях формирования УВ достигалось при изменении условий возбуждения первичного пробоя. Пробой в излучении 1-го лазера возбуждался как в лабораторном воздухе в отсутствие мишеней, так и на мишенях в ви-
де металлических(нихромовых) нитей различного диаметра. При этом удаление УВ от оси пучка 1-го лазера через 100 нс после первичного пробоя варьировалось в пределах от 200 до 640 мкм. Влияние паров и аэрозольной компоненты, возникающей при облучении мишени, исключалось подбором геометрии оптической схемы, при которой пары и аэрозоль не достигали области взаимодействия пучка 2-го лазера и УВ, что было определено рядом экспериментов по изучению динамики распространения этих фаз.
Установлено, что:
1) Точка инициирования нового очага оптического пробоя в излучении 2-го лазера всегда локализуется на УВ.
2) При теневой схеме регистрации возникновения пробоя, кроме скачков уплотнения исследуемой первичной УВ и УВ от зоны нового очага пробоя, наблюдается дополнительный фронт. Этот фронт располагается за фронтом первичной УВ, параллелен и соответствует по положению и размеру сечению фронта УВ каустикой пучка 2-го лазера (Фото 1).
3) Пороговая интенсивность лазерного излучения, при которой возникает новый очаг пробоя, снижается с ростом скорости УВ: от (4±1)1010 Вт/см2 при скорости около 400 м/с до ( 4.5+4.5 )108 Вт/см2 при 3000 м/с.
Экспериментальная зависимость порога пробоя от скорости УВ приведена на Рис. 3.
Рис. 3. Зависимость порога оптического пробоя воздуха на фронте ударной волны от скорости УВ. (Л=1.06 мкм; ти=15 нс). Порог пробоя невозмущенного лабораторного воздуха составил 5-1010 Вт/см2. При больших значениях скорости УВ нижняя планка погрешности измерения доходит до оси абсцисс, т.к. за время подсветки теневой схемы 15 нс проходимое УВ расстояние составляет до 40-45 мкм. При этом пороговое плазменное образование не разрешается на фоне визуализированной в теневой схеме УВ. Есть основания полагать результаты измерений порога существенно завышенными при скоростях выше 2500 м/с.
Зондовые измерения
Для уточнения физических условий за фронтом УВ были выполнены зондовые измерения. Измерения выполнялись с помощью двойного электрического зонда. Схемы зонда и его раз-
мещения в окрестности зоны оптического пробоя представлены на Рис. 4, 5. Применялась методика импульсной регистрации сигнала зонда методом баллистического гальванометра. На зонд с регулируемыми задержками подавался импульс напряжения с импульсного генератора в виде гауссовой кривой с ти=100 нс по уровню
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.