оптические разряды

ОПТИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ - газоразрядные явления, аналогичные электрическим разрядам в газе, возникающие в воздухе или др. газе под действием мощных световых (лазерных) полей. До изобретения лазеров изучались и использовались газовые разряды в полях более низких частот, чем оптические: в пост. электрич. поле, в ВЧ-, в СВЧ-полях. Лазерная техника открыла физике газового разряда оптич. диапазон. Различают два осн. типа О. р.: 1) лазерная искра - оптич. пробой газа, т. е. бурное нарастание ионизации ранее не ионизированного газа; 2) непрерывный О. р. - поддержание в газе уже имеющегося ионизов. состояния под действием светового излучения.
Оптический пробой (ОП). Обнаружение эффекта в 1963 [П. Мейкер (P. Maker), Р. Терхун (R. Terhune) и У. Р. Сэвидж (W. R. Savage)] стало возможным благодаря созданию лазера с модулиров. добротностью, к-рый даёт очень мощный, т. н. гигантский, импульс (длительность 30 нс, энергия 1 Дж, пиковая мощность 30 МВт). Когда луч такого рубинового лазера сфокусировали линзой, в комнатном воздухе в области фокуса вспыхнула искра и там образовалась плазма, как при электрич. пробое разрядного промежутка между электродами. Оптич. пробой происходит, когда интенсивность излучения S[Вт/см²] или среднеквадратичное электрич. поле световой волны Е =превосходят нек-рые пороговые значения (S10⁵ МВт/см², Е6 x 10⁶ В/см, в воздухе). Как показали измерения, видимая вспышка, свидетельствующая о пробое, появляется, если в области фокуса линзы рождается ~10¹³ электронов. Пороговые величины S_п, Е_п - важнейшие характеристики ОП, зависящие от рода газа, давления, частоты света, а также диаметра фокуса, длительности импульса и распределения интенсивности по сечению. При не чрезмерно высоких давлениях р пороги неуклонно понижаются с ростом давления, но, начиная с р ~ 10² - 10³ атм, с увеличением р растут (рис. 1). Одноатомные газы обычно пробиваются легче, чем молекулярные. На частотах, соответствующих видимой и ИК-областям спектра, пороги понижаются с уменьшением частоты: для неодимового лазера ( = 1060 нм) пороговые интенсивности (рис. 2) меньше, чем для рубинового ( 094 нм).

Рис. 1. Зависимость амплитуды пороговых полей Е_п от давления р для пробоя газов рубиновым лазером. Диаметр фокусного пятна 10^-2 см, длительность импульса по половине мощности 50 нс.

Пороговая интенсивность понижается также при увеличении радиуса фокусного пятна, т. е. размеров области, подверженной действию поля, и в небольшой степени - при увеличении длительности импульса. ОП происходит в результате развития лавины электронной. Первые (затравочные) электроны вырываются из атомов, молекул, возможно, мельчайших пылинок путём многофотонного фотоэффекта при одноврем. поглощении неск. лазерных квантов. Нескольких - потому, что потенциалы ионизации атомов значительно больше. В поле световой волны электрон приобретает энергию, ионизует атом; вместо одного энергичного электрона появляются два медленных; потом всё повторяется. Так происходит размножение электронов.

Рис. 2. Пороговые интенсив-ности для пробоя инертных (а) и молекулярных (б) газов. Сплошные линии - неодимовый лазер (=1060 нм), фокусное пятно - эллипс с осями (13 Х 3,4)х10~³ см,=40 нс. Штриховые линии - рубиновый лазер (=694 нм), оси эллипса - (4,3 X 3,1) х 10^-3 см,= 40нс.

Согласно представлениям классич. теории, в осциллирующем поле на поступат. движение электрона с энергией накладываются колебания вдоль вектора Е с энергией порядка При рассеянии атомом электрон начинает новое поступат. движение с энергией, в ср. на большей, а колебания раскачиваются заново. Если эфф. частота столкновений v_m сравнима с круговой частотой излучения, так что электрон не успевает совершить много осцилляции за период между столкновениями, то колебания раскачиваются не полностью, перекачка энергии от поля к электронам замедляется. С учётом этого обстоятельства энергия хаотич. движения электрона вырастает в 1 с на

Чтобы за короткое время лазерного импульса (10^-8 с) родились необходимые для ОП примерно log₂ (10¹³) 40 поколений электронов, скорость набора энергии и определяющее её поле Е должны иметь достаточнобольшие значения, тем более, что нужно ещё возмещать потери энергии электронов и, возможно, их исчезновение. Если , т. е. давление относительно невелико (v_mp)или частота поля высока, то скорость набора энергии от поля Само же пороговое поле Е_п, при к-ром электрон успевает набрать энергию, достаточную, чтобы произвести ионизацию, пропорционально и уменьшается при увеличении р.
Если давление высокое, , то а пороговое поле не зависит от частоты и растёт с ростом р. Ф-ция давления максимальна при v_m = const p =; при таком же примерно условии минимален порог пробоя Е_п. Классич. представления, безоговорочно применимые к СВЧ-излучению и ИК-излучению СО₂-лазера (= 10,6 мкм), качественно объясняют соответствующие пороговые зависимости Е_п(р), к-рые очень похожи на зависимости Е_п(р)(рис. 1) для рубинового лазера ( = 694 нм). Только в случаях СВЧ- и СО₂ лазера минимумы лежат при более низких давлениях, ибо, и сами пробивающие поля меньше. А на оптич. частотах для пробоя требуются гораздо более высокие поля и минимум пробоя Е_п сдвигается в сторону высоких давлений в сотни атмосфер.
При реально выполняющемся условии ф-лу ( *) можно приближённо применять и к излучениям рубинового и неодимового лазеров ( = 694 и 1060 нм), хотя их = 1.78 и 1,17 эВ В этом случае ф-лу следует трактовать статистически: если, напр.,, то в 99 столкновениях электрон не обменивается энергией с полем, а в сотом приобретает целый квант. Строгие расчёты электронной лавины и порогов пробоя, основанные на решении кинетич. ур-ния для электронного спектра, дают удовлетворит. количеств. согласие с измерениями.
При не слишком высоких давлениях, когда классич. закон хорошо выполняется в широком диапазоне оптич. частот, вплоть до смыкания с СВЧ. Точки, соответствующие пробою воздуха излучениями разл. лазеров, группируются около классич. прямой (рис. 3).

Рис. 3. Пороги пробоя воздуха при атмосферном давлении излучениями разных лазеров. Штриховая линия - классический закон

В УФ-диапазоне из-за квантовых эффектов порог ОП снижается по сравнению с законом
Порог пробоя воздуха при атм. давлении излучением СО₂-лазера, S_n (1 - 2) х 10⁸ Вт/см², определяется присутствием аэрозольных частиц, нагрев и испарение к-рых способствуют появлению затравочных электронов (кванты СО₂-лазера = 0,124 эВ слишком малы для многоквантового фотоэффекта). В очищенном воздухе порог повышается до 3 х 10⁹ Вт/см². В сильно разреженных газах, р1 мм рт. ст., или в случае чрезвычайно коротких, пикосекундных лазерных импульсов лавина не успевает развиться и наблюдаемая ионизация обязана исключительно многоквантовому фотоэффекту.
Фокусируя мощный лазерный импульс линзой с фокусным расстоянием ~ 10 м, получают т. н. длинную искру - плазменный канал, не сплошной, но длиной до десятков метров (лазерная искра от короткофокусной линзы имеет размеры 0,1 - 1 см). Пробой газа в постоянном или СВЧ-поле существенно облегчается в присутствии интенсивного лазерного излучения. Это позволило создать хорошие разрядники с лазерным поджигом, направленный пробой, при к-ром обычный искровой разряд развивается вдоль светового канала и не обязательно ориентирован по вектору пост. поля. ОП сильно облегчается, если происходит вблизи поверхности твёрдых тел; при этом пороговая интенсивность может быть на неск. порядков ниже - т. н. низкопороговый пробой.
Непрерывный оптический разряд (НОР) - стационарное поддержание плотной равновесной плазмы излучением лазера непрерывного действия (напр., СО₂-лазера); был предсказан теоретически и получен на опыте в 1970. По сравнению с традпц. способами поддержания плазмы с Т ~ 10 000 К при помощи дугового, индукционного, СВЧ-разрядов для подвода энергий к плазме оптич. способом не требуется конструктивных элементов: электродов, индуктора, волновода. Световая энергия свободно передаётся на расстояние световым лучом. Это открывает возможность зажигания плазмы на расстоянии от лазера и в любых, даже труднодоступных местах. Если продувать холодный газ через горящий НОР, подобно тому, как это делается в дуговых и прочих генераторах непрерывной плазменной струи - плазмотронах ,получается оптический плазмотрон (рис. 4). Темп-pa плазмы в НОР, как правило, выше, чем в дуговом разряде, - ок. 20 000 К. В опыте НОР поджигают в камере, наполненной к--л. газом, или в комнатном воздухе, фокусируя лазерный луч линзой или зеркалом. Плазма располагается в районе фокуса, несколько сдвигаясь от фокуса по направлению к источнику до того сечения светового канала, где интенсивности излучения ещё хватает для компенсации потерь энергии из плазмы, без чего нет стационарного горения.

Рис.4. Принципиальная схема оптического плазмо-трона: 1 - контуры светового канала; 2 - линза; 3 - плазма; F - точка фокуса; и - газовый поток; Р_О - лазерное излучение.

Чтобы зажечь НОР, необходимо создать начальный, поглощающий лазерное излучение очаг плазмы. Проще всего ввести в область фокуса проволоку и убрать её после зажигания разряда. Оценить лазерную мощность Р, необходимую для поддержания НОР, можно из условия баланса тепло-проводностного вытекания энергии из небольшой плазменной сферы радиуса r и поглощения ею лазерной энергии. Если, как это обычно бывает, область разряда не сильно поглощает лазерное излучение, , где(Т) - коэф. поглощения при темп-ре плазмы Т, то

Здесь - потенциал потока тепла, - коэф. теплопроводности. Ф-ция - монотонно растущая, но при пост. давлении имеет максимум при темп-ре, соответствующей почти полной однократной ионизации. Такая примерно темп-pa Т_т20 000 К и устанавливается в НОР, и ей соответствует минимально необходимая пороговая лазерная мощность Р_П. В воздухе при р = 1 атм НОР устанавливается при мощности излучения СО₂-лазера Р_п = 2 кВт; темп-ра плазмы при этом Т_т17 000 К,0,3 кВт/см, 0,8 см^-1. Опыт хорошо подтверждает эти оценки. Коэф. поглощения возрастает с увеличением давления (~p^1,5 - р²), а пороговая мощность соответственно уменьшается с ростом давления; Р_птакже уменьшается в случае тяжёлых одноатомных газов, обладающих плохой теплопроводностью ( меньше). Так, при поддержании НОР в ксеноне при р3 - 4 атм требуется всего Р_п 150 Вт (рис. 5, а). При р10 атм падение Р_п прекращается, т. к. на смену теплопроводностным потерям энергии постепенно приходят лучистые, к-рые растут с p, как и
На рис. 5 (a, б)нижними ветвями кривых показаны измеренные на опыте пороговые мощности Р_п. Если лазерная мощность Р превышает Р_п, то плазма сильнее сдвигается навстречу лучу и увеличивается в размераx, но темп-pa её не возрастает.

Рис. 5. Пороговые мощности, необходимые для поддержания непрерывного оптического разряда в атомарных (а) и молекулярных (б) газах (нижние ветви кривых). Верхними ветвями кривых показаны верхние пределы существования НОР.

Наблюдается и верхний предел существования НОР по мощности и по давлению. Его существование связано с возрастанием роли лучистых потерь при больших темп-pax и размерах плазмы и вызванной этим неустойчивостью состояний, лежащих выше и правее верхних кривых. Однако при фокусировании лазерного луча короткофокусным зеркалом верхнего предела нет - НОР наблюдается и при р100 атм.
Спектроскопич. методами измерялись темп-ры в плазме НОР и их пространств. распределения. На рис. 6 показано пространств. распределение темп-ры (изотермы) в НОР в воздухе атм. давления. Луч СО₂-лазера идёт справа налево; мощность лазера 6 кВт. Контур сходящегося светового канала показан пунктиром. В Аr при р = 2 атм достигалась темп-pa T_max18000 К, в Хе при р = 2 атм - 14 000 К, в Н₂ при р = 6 атм - 21000 К, в N₂ при р = 2 атм - 22 000 К, в воздухе при р = 1 атм - 17 000 К. При заметном превышении Р над Р_п в плазме НОР поглощается около половины лазерной энергии, остальная проходит насквозь.

Рис. 6. Изотермы пространственного распределения температуры в НОР (внизу) и распределение Т на оси луча (вверху).

Благодаря своей высокой темп-ре и хорошей стабильности НОР может служить непрерывным источником излучения очень большой калиброванной яркости. НОР часто возникает около твёрдых поверхностей, подвергаемых воздействию достаточно мощного лазерного излучения: при лазерной сварке, резке и др. Он оказывает неблагоприятное влияние на лазерную технологию, экранируя обрабатываемый материал от луча. Во избежание этих эффектов, а также и для др. целей целесообразно обдувать обрабатываемое место потоком газа (НОР "сдувается").

Распространение О. р. Как и др. электрич. разрядам в газах, О. р. свойственна тенденция распространяться: плазменный фронт разряда может двигаться навстречу лазерному излучению. Эффекты распространения возникают вследствие ионизации газа перед фронтом плазмы. Когда холодный газ перед фронтом нагревается, ионизуется, он приобретает способность поглощать лазерный луч. Фронт разряда переходит на новое место, новая масса газа включается в разряд. Можно наблюдать и обращённую картину распространения, характерную для оптич. плазмотрона, когда плазменное образование локализовано в пространстве (в районе фокуса липзы, где интенсивность излучения максимальна), а холодный газ продувается через разряд.
Существует неск. механизмов распространения О. р.
1) Нагрев и ионизация газа перед плазменным фронтом сильной ударной волной, вызванной интенсивным энерговыделением, - т. н. световая детонация. Она обычно наблюдается сразу после пробоя газа гигантским лазерным импульсом и до его окончания. Фронт световой детонации распространяется навстречу лучу со скоростями ~100 км/с, и газ за ним нагревается до темп-ры 10⁵ - 10⁶К. Зарегистрированная по измерению интенсивности рентг. излучения наиб. темп-pa в такой лазерной искре составила 3 х 10⁶ К (при пиковой мощности лазерного импульса в неск. ГВт). После окончания гигантского лазерного импульса от места энерговыделения распространяется квазисферич. светящаяся взрывная волна. Эффект является миниатюрной копией ядерного взрыва в атмосфере.
2) Наблюдается медленное распространение плазменного фронта в лазерном луче со скоростями ~10 - 40 м/с, обязанное теплопроводностному прогреванию газа перед фронтом. Этот механизм действует преим. и в оптич. плазмотроне, где для непрерывности горения применяется непрерывный СО₂-лазер. В оптич. плазмотроне достигается на 1000 - 3000 К более высокая темп-pa, чем в НОР в неподвижном газе. Продувкой воздуха снимаются верх. ограничения по мощности лазера, а также по фокусному расстоянию линзы f (в неподвижном воздухе в слабофокусированном луче, при f 20 см, НОР не горит).
3) Наблюдаются быстрые волны ионизации в лазерном луче, распространяющиеся со скоростями 10 - 100 км/с, но без ударной волны. Они вызываются ионизацией газа перед фронтом тепловым излучением плазмы (радиац. волны).
4) Наблюдались также волны пробоя.

Лит.: Островская Г. В., Зайдель А. Н., Лазерная искра в газах, "УФН", 1973,т. 111, с. 579; Райзер Ю. П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974; его же, Оптические разряды, "УФН", 1980, т. 132, с. 549.

Ю. П. Райзер.