ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 5, с. 463-472
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.08
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПЛАЗМОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ С УСИЛИТЕЛЕМ ЯРКОСТИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ
© 2010 г. А. П. Кузнецов, Р. О. Бужинский*, К. Л. Губский, А. С. Савёлов, С. А. Саранцев, А. Н. Терёхин
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия *Центр естественно-научных исследований ИОФ РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 17.07.2009 г.
Представлен метод наблюдения областей взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно в процессе воздействия. Экспериментально показана возможность динамической визуализации поверхности при наличии перед ней плазмы с линейной плотностью ~1016 см-2 и толщиной ~3 см. Предложена и реализована внутрилазерная схема теневого фотографирования фазовых объектов с использованием проекционного лазерного микроскопа. Получены тенеграммы развития плазменного факела эрозионного капиллярного разряда в воздухе.
1. ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах по исследованию взаимодействия плазмы и мощного лазерного излучения с поверхностью широко применяются различные оптические методы визуализации динамических процессов. В традиционных устройствах регистрации повышение яркости изображения может быть достигнуто увеличением светового потока осветителя (что не всегда возможно) или повышения чувствительности регистратора изображения. Для повышения чувствительности систем регистрации можно использовать предварительное усиление пространственно модулированного светового потока с применением, например, электронно-оптических преобразователей (ЭОП) или микроканальных пластин (МКП). Принципиально новые возможности усиления яркости изображения появились после создания импульсных лазеров на парах металлов, в частности меди [1], генерация в которых осуществляется на переходах с резонансных уровней атомов на метастабильные [2, 3]. Усиление яркости в таких активных системах достигается за счет использования когерентного усиления в лазерной активной среде собственного излучения, отраженного от исследуемого объекта. Основное отличие импульсного лазера на парах меди (как и других лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов) от других типов лазеров — короткое время существования инверсии населенностей (10—50 не), соизмеримое с временем распространения излучения в активной среде. За счет большого усиления (десятки и сотни децибел) лазер может работать в режиме сверх-
светимости — без зеркал или с одним зеркалом. В этом случае расходимость лазерного излучения определяется угловой апертурой разрядного канала 0геом = й/\, где d — диаметр, а I — длина разрядного канала. Для Си-лазера, работающего в режиме генератора, излучение за время существования инверсии всего несколько раз успевает обойти резонатор. Поперечная модовая структура в излучении такого оптического генератора сформироваться не успевает, а расходимость уменьшается пропорционально увеличению длины пробега фотона в резонаторе.
Лазерные оптические системы с усилителями яркости обладают нелинейными по отношению к входному сигналу характеристиками и обычно работают в режиме насыщения. Это приводит к тому, что выходные энергетические характеристики оптической системы слабо зависят от интенсивности входного сигнала, что принципиально отличает активные усилители изображения от классических оптических устройств.
Использование оптических схем с лазерными усилителями яркости открывает новые возможности для визуализации областей взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностью вещества непосредственно во время такого воздействия. Основной фактор, затрудняющий наблюдение этих зон обычными методами, заключается в образовании над поверхностью ярко светящейся плазмы. Применение лазерного усилителя позволяет решить эту проблему, так как регистрация изображения происходит в узком, определяемом шириной линии усиления спектральном диапазоне ДХ < 10—3 нм, за время
(а)
\
(б)
I ^
4
\
Рис. 1. Бистатическая (а) и моностатическая (б) оптические схемы лазерной проекционной системы с усилителем яркости: 1, 2 — лазерные газоразрядные трубки, 3 — исследуемый объект; 4 — экран, 5 — проекционная система, 6 — импульсный источник накачки лазеров, 7 — генератор задержанных импульсов.
длительности импульса 10—30 нс. Высокая яркость изображения на выходе системы обеспечивается усиливающими свойствами лазерных сред с коэффициентами усиления до 1 см-1, что позволяет получить однопроходное усиление слабого сигнала ~104. В [4] при входном сигнале 8 мкДж было получено усиление 23 дБ/мм.
Лазерные проекционные системы с большим коэффициентом линейного увеличения, названные лазерным проекционным микроскопом, позволяют получать изображения малых участков поверхности [4, 5], а за счет высокой частоты следования импульсов — 5-30 кГц — визуализировать гидродинамические процессы на поверхности материала непосредственно в процессе взаимодействия мощных потоков излучения с веществом [6].
2. ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА С УСИЛИТЕЛЕМ ЯРКОСТИ
НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ
Проекционные системы с усилителями яркости на основе лазера на парах меди могут быть построены по двум оптическим схемам: бистатиче-ской и моностатической (рис. 1).
В состав первой схемы (рис. 1а) входят два однотипных лазера: один выполняет роль осветителя 1, другой — усилителя 2 излучения, отраженного от
поверхности объекта 3. Сформированное такой проекционной системой изображение проецируется на экран 4. Размер рабочего поля на поверхности объекта исследования и пространственное разрешение оптической системы определяются числовой апертурой и увеличением передающей и принимающей оптических систем 5. Использование управляемой временной задержки между импульсами высоковольтных блоков накачки лазеров 6 с помощью генератора задержанных импульсов 7 позволяет синхронизовать время прихода отраженного от исследуемого объекта импульса лазера-осветителя в активную среду лазера-усилителя с моментом достижения максимума усиления в ней. Управляемая временная задержка позволяет получать изображение поверхности удаленных на расстояние в десятки метров объектов.
В более простой моностатической схеме (рис. 1б) используется один лазер, выступающий как в роли осветителя, так и усилителя изображения. Максимальное расстояние между объектом исследования и лазером в такой схеме принципиально ограничено длительностью существования инверсии в активной среде. Расстояние до объекта, на котором может быть получено его изображение, в этом случае составляет не более 5 м.
На рис. 2 представлена использованная в данной работе схема экспериментального стенда
4
3
3
10 4 3// 2 л к\\\\\\\\\\ч И^^ ^^ ШШ ^ X 5 ^
гЧ-/ / ¡/41. -\У----- ПК б\у ■ / ■ - ■
V
Рис. 2. Схема экспериментальной установки лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости на основе лазера на парах меди (пояснения в тексте).
проекционной системы. В качестве усилителя яркости использовался Си-лазер на основе серийно выпускаемой газоразрядной трубки (ГРТ) "Кулон" (ЕГ-3 Си) с диаметром разрядного канала 12 мм, длиной нагреваемой части 340 мм и угловой апертурой ~0.03. Частота следования импульсов возбуждения 14 кГц. Средняя мощность генерации лазера с резонатором, образованным плоскими зеркалами ~3 Вт на двух длинах волн 510.6 нм (зеленая) и 578.2 нм (желтая) с отношением интенсивностей 3.5—2.
Следует отметить, что из-за высокого коэффициента усиления активного элемента, схема лазерного проекционного микроскопа крайне чувствительна к различного рода отражениям от поверхностей оптических элементов. Для устранения обратного отражения оптические элементы располагались под некоторым углом к оптической оси. Кварцевые оптические окна, герметизирующие активную среду в ГРТ, также скошены относительно оптической оси трубки на угол >5°.
Излучение, выходящие из лазерной трубки 1, через оптическую систему 2—3 попадает на исследуемый образец 4. Применение коллиматора 2 позволило получать изображение поверхности объекта удаленного от лазера на расстояние до 5 м.
Отраженное от поверхности объекта излучение, возвращается обратно в лазер, усиливается в его активной среде и системой зеркал 6 проецируется на экран 7. Регистрация изображения осуществляется цифровой фотокамерой 8 (формат изображения 1388 х 1038, разрядность оцифровки 12 бит, минимальное время экспозиции 3.4 мкс). Для измерения временных характеристик лазерного излучения часть света с помощью стеклянной пластины 5 отводилась на фотодетектор 9 (рш-диод т01-0.9 = 0.3 нс), сигнал с которого реги-
стрировался осциллографом 10 ^еСгоу WR 44X1). Фотодетектор смонтирован на двухкоординат-ном сдвигателе, что позволяло перемещать его в поперечном относительно оптической оси направлении и измерять временную форму импульса на разных участках его волнового фронта.
Поле зрения, увеличение и качество изображения в лазерном микроскопе определяются выбором объективов проекционной системы. Так, при использовании в качестве объектива 3 линзы диаметром 50 мм с фокусным расстоянием / = 210 мм поле зрения составляло ~6 мм, разрешение ~460 штрихов/мм. Максимальное пространственное разрешение проекционного лазерного микроскопа ограничивается дифракционным пределом.
Важным параметром проекционной системы является контраст К получаемого изображения (отношение яркости светлой и темной областей изображения). В качестве тестового объекта для его измерения использовалась белая матовая бумага с нанесенной на поверхность черной полосой. В зависимости от расстояния между объектом и лазером контраст изображения существенно изменялся от К = 2.0—1.6 (50—200 см) до К = 1.05 на максимальном удалении. Эффективность сбора отраженного излучения проекционной телескопической системой не изменялась.
На рис. 3 представлены осциллограммы сигналов с фотодетектора 9 (рис. 2). Осциллограммы соответствуют случаям: объект отсутствует ("холостая" волна) (1), фотодетектор регистрирует световой поток в темной области изображения (2), в светлой (3). Тестовый объект расположен на
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.