книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

водороде и аргоне в диапазоне давлений приблизительно от 0,3 до 100 атм. Данные для аргона и ксенона при давлениях порядка 1 атм получены Бушером и др. [И]. Вайнант и Рэмси [7] получили данные для воздуха, азота, гелия и аргона. Янг и Херчер полу­ чили данные для гелия, неона, аргона и криптона в диапазоне давлений примерно от 1 атм до 10 мм рт. ст., используя излучение

Фиг. 5.5,

Сводка обсуждаемых в тексте экспериментальных результатов по зависимо­ сти порогов пробоя от давления, для некоторых газов.

рубинового лазера, работающего в одномодовом режиме. Сово­ купность данных для ряда* газов в диапазоне давлений от ниже

1атм и до 100 атм приведена на фиг. 5.5.

Вэтом диапазоне давлений порог пробоя уменьшается с увели­ чением давления. Данные, полученные различными исследовате­ лями, приблизительно совпадают, хотя и имеется некоторое систе­ матическое расхождение между значениями порога пробоя, изме­ ренными разными авторами. Вероятно, эти расхождения обуслов­

лены главным образом различием экспериментальных условий

иразными условиями фокусировки. Например, Мейеранд и Хот 18] использовали рубиновый лазер с пиковой мощностью 30 МВт

идлительностью импульса 30 нс. В этих условиях, согласно их оценкам, диаметр фокального пятна был равен 200 мкм. В экспе­ рименте Минка [9] диаметр фокального пятна можно оценить приблизительно в 12 мкм [16], что, по-вндимому, меньше истин­ ного размера. Любые неточности в определении фокальных пло­ щадей должны привести к систематическим различиям в резуль­

татах, полученных разными авторами.

Более того, зависимость пробойной напряженности поля от диаметра фокального пятна является убывающей функцией при увеличении диаметра пятна. Это вызвано уходом электронов из фо­

кального объема. На фиг. 5.6 представлена зависимость порога пробоя в аргоне при давлении 5,2-Ю4 мм рт. ст. от размеров, фокального пятна [17]. На этом графике А характеризует средний размер фокального объема в предположении, что он имеет форму

рогов должны были бы находиться в обратном соотношении. Можно предположить, что распределение поля в сфокусиро­

ванном пучке неоднородно с величиной неоднородности порядка 10 мкм, вследствие чего может измениться величина порога про­ боя. На результаты измерений также оказывает воздействие самофокусировка луча, которую мы обсудим в дальнейшем.

В качестве ординаты на фиг. 5.5 можно отложить также мак­ симальное значение напряженности электрического поля световой волны в вольтах на сантиметр. Мы приводим результаты для

при известной интенсивности F (все величины в единицах СГСЕ). Многие авторы приводят свои результаты в единицах напря­ женности электрического поля.

При давлениях свыше 100 атм на кривых зависимости порога пробоя от давления появляются минимумы [13]. Их наличие было интерпретировано как указание на то, что наблюдаемые явления обусловлены ионизацией электронным ударом. В этой работе использовались . газы высокой чистоты при давлениях вплоть

.до 2000 атм. Исследуемый газ находился в камере сверхвысокого давления с кварцевыми окнами. Источником излучения служил рубиновый лазер с модулированной добротностью мощностью 30 МВт. Диаметр минимального фокального сечеипя составлял приблизительно 0,01 см. Результаты измерений представлены па фиг. 5.7. Кривые имеют ярко выраженные минимумы, после которых Порог пробоя возрастает с увеличением давления выше 1000 атм. Сравнение показывает, что пороговые иитенсивностп пробоя, измеренные в работе [13], более чем на порядок ниже пороговых интенсивностей пробоя, измеренных другими авто­ рами при соответствующих давлениях (см. данные, приведенные на фиг. 5.5). Это расхождение не удается объяснить, даже если учесть размеры фокальных пятен.

В ряде работ [И, 18, 19] исследовалась частотная зависимость порога пробоя. В одной из них [11] было использовано излучение лазера на неодимовом стекле с длиной волны 1,06 мкм и рубинового лазера с длиной волны 0,6943 мкм, а также их вторые гармоники с длинами волн 0,53 и 0,347 мкм. Зависимость пороговых интен­ сивностей пробоя в аргоне от длины волны излучения показана на фиг.'5.8 для разных давлений. В области малых частот порог пробоя возрастает при увеличенпп частоты. Известно, что если частота излучения намного больше частоты электрон-атомных столкновений, то, согласно классической теории микроволнового пробоя, пороговая интенсивность пропорциональна квадрату частоты лазерного излучения. Однако, можно ожидать, что при достаточно большой энергии фотона, сравнимой с энергией возбуж­ дения газа, эта зависимость может нарушаться. Используя излуче­ ние лазера на неодимовом стекле, а также его вторую, третью и четвертую гармоники с длинами волн 0,53, 0,353 и 0,265 мкм, авторы работы [19] провели исследования частотной зависимости в более широком диапазоне. Оказалось, что пороговые интенсивно­ сти пробоя в воздухе для этихчастот относятся как 5,2 : 6,2 : 5,2 : 3,4, что приблизительно согласуется с данными, приведенными на фиг. 5.8.

В работе [12] исследовано влияние на порог пробоя внешнего источника электронов. При тлеющем разряде в фокальном объеме возникает от 100 до 1000 свободных электронов. Однако наличие

тлеющего разряда не меняло порогов пробоя гелия и аргона. Эти результаты показывают, что макроскопические эффекты обуслов­ лены динамикой развития лавины и что порог пробоя практически не зависит от числа начальных электронов.

Согласно одному из возможных предположений, это могло быть связано с наличием в любом газе небольшого количества легкоионнзуемых примесей, которые являются потенциальным источ-

Ф и г. 5 . 7 .

Зависимость порога пробоя в аргоне, азоте и гелии от давления [13].

ником начальных электронов. Известно очень мало работ по изу­ чению влияния примесей на пробой газов. Такие работы помогли бы установить источник начальных электронов, однако трудновыполнить эксперименты при таком уровне чистоты, который необходим для получения достоверных результатов.

В работах 420, 21] изучалось влияние примеси фреона на про­ бой в аргоне. Было показано, что добавление фреона снижает1 порог пробоя при давлении 250 мм рт. ст. Это обусловлено, по-види­ мому, тем, что фреон ионизуется легче, чем аргон. При болеевысоких давлениях порог пробоя возрастает, так как электроны начинают прилипать к нейтральным молекулам фреона. В работе- [22] при исследовании лазерного пробоя в парах органических веществ было установлено, что добавление хлороформа и четырех­ хлористого углерода снижает порог пробоя в аргоне. Согласно работе [23], лазерный нагрев небольших распыленных в газе частиц способствует возникновению пробоя в хлоре. В целом же'

в воздухе, бутане и гелии не было обнаружено и при наличии магнитного поля напряженностью 200 кГс [26], близкого к величи­ не поля в эксперименте, в котором наблюдалось влияние магнит­ ного поля.

Было также исследовано снижение порога оптического пробоя при наложении дополнительного микроволнового поля [27]. При напряженности микроволнового поля в фокальном объеме 7 -103 В/см пороги пробоя в гелип, криптоне и аргоне при давлении газа 460 мм рт. ст. снижались соответственно в 1,6; 19 и 28 раз. В отсутствие лазерного излучения одно лишь микроволновое поле не вызывало пробоя. В случае одиовременного действия лазерного излучения и микроволнового поля поглощение энергии из этих полей оказывалось больше, чем при наличии одного лазер­ ного излучения. Эксперимент проводился при таких условиях, что при воздействии одного лишь микроволнового поля скорость потерн энергии, связанной с возбуждением атомов, была выше, чем скорость нагрева микроволновым полем. Однако если атом окажется в возбужденном состоянии, то в присутствии поля опти­ ческой частоты он может быть легко понизовая в результате погло­ щения одного нлп двух фотонов. Эти эксперименты подтверждают, что поглощение энергии и процессы лавинной ионизации опреде­ ляют основные свойства лазерного пробоя.

Можно указать практические применения результатов изме­ рения величин пороговых интенсивностей пробоя. Обычно лазер­ ные системы работают в воздухе прп атмосферном давлении, что накладывает ограничение на интенсивности излучения, которое может быть передано от одной части системы к другой. Если интенсивность превысит уровень ~ 1011 Вт/см2, то в воздухе про­ изойдет пробой и пропускание света станет невозможным. Наибо­ лее серьезной проблемой является использование в очень мощных лазерах диафрагм для селекции мод плн пространственных филь­ тров, так как в этом случае уровни интенсивности могут легко достигать порога пробоя воздуха.

§ 3. РАЗВИТИЕ ПРОБОЯ

1. Разлет плазмы

Искра, образовавшаяся под действием лазерного излуче­ ния, выглядит как яркий источник, почти однородно излучающий бело-голубой свет. Фотографии показывают, что искра вытянута вдоль направления распространения светового луча. На некото­ рых фотографиях можно обнаружить несколько отдельных обла­ стей [28—30]; это показано на фиг. 5.9. Для данной установки форма искр может воспроизводиться вплоть до сохранения струк­ туры, показанной на фиг. 5.9. Если изменить'условия, используя,