Динамика и структура оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Марин, Михаил Юрьевич

• Марин, Михаил Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Марин, Михаил Юрьевич

Введение. Постановка задачи и краткое описание диссертации.

1. Разряды в бесселевых лазерных пучках.

2. Общая характеристика диссертации, научная значимость работы.

3. Научная новизна.

4. Положения, выносимые на защиту.

5. Апробация работы.

6. Структура и объем диссертации.

Глава 1. Физические основы создания оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках.

1.1. Особенности бесселевых пучков.

1.2. Оптический пробой в бесселевых пучках.

1.3. Способы увеличения времени жизни оптических разрядов.

Глава 2. Экспериментальная установка.

2.1. Функциональная схема.

2.2. Мощный лазер.

2.2.1. Задающие генераторы.

2.2.2. Усилительная система.

2.3. Диагностическая аппаратура.

2.3.1. Зондирующий лазер.

2.3.2. Электронно-оптические камеры.

2.3.3. Устройство лазерного запуска электронной аппаратуры.

2.3.4. Измеритель энергии.

2.4. Автоматизированная система управления универсальной лазерной установкой.

2.5. Экспериментальная газовая камера.

2.6. Технология изготовления коноидных аксиконов.

Глава 3. Диагностические методики.

3.1. Электронно-оптическая и фотографическая регистрация процесса оптического пробоя.

3.2. Теневая съемка.

3.3. Регистрация рассеянного излучения.

Глава 4. Результаты экспериментов.

4.1. Геометрия оптических разрядов.

4.2. Динамика развития оптического пробоя.

4.2.1. Статический (досветовой) режим пробоя.

4.2.2. Динамический (сверхсветовой) режим пробоя.

4.2.3. Протяженный квазистационарный оптический разряд.

4.3. Структура канала оптических разрядов.

4.3.1. Статический (досветовой) режим пробоя.

4.3.2. Динамический (сверхсветовой) режим пробоя.

Глава 5. Обсуждение результатов.

5.1. Время формирования разрядов в бесселевых лазерных пучках.

5.2. Газодинамика оптических разрядов.

5.3. Оценка электронной плотности и температуры оптических разрядов.

5.4. Возможные применения оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика и структура оптических разрядов в бесселевых лазерных пучках»

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. РАЗРЯДЫ В БЕССЕЛЕВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКАХ

Оптический разряд может быть легко получен с помощью лазерного излучения. Впервые об этом сообщили в феврале 1963 г. Мейкер, Терхун и Севидж на Международной конференции по квантовой электронике в Париже, и в то время это вызвало сенсацию. Вскоре после первого сообщения об открытии лазерного пробоя появилась работа Мейерэнда и Хота [1] и Томлинсона [2], которые исследовали эффект качественно. Излучение лазера фокусировалось линзой, и в точке фокусировки возникала плазма оптического разряда. Малые размеры ограничивали практическое применение этого разряда, поэтому были предприняты попытки увеличить его протяженность, используя для фокусировки длиннофокусные линзы. Но при этом газ пробивался в хаотически расположенных точках каустики с образованием разрозненных очагов плазмы [3]. И только в бесселевых пучках (Б — пучках) лазерного излучения удалось получить оптические разряды с тонким сплошным протяженным плазменным каналом [4]. Это происходит за счет того, что в них обеспечивается боковой подвод энергии равномерно к каждой точке пробоя независимо.

Область применения таких сплошных протяженных оптических разрядов зависит от их размеров, режима формирования и других характеристик. Так, например, для плазменных лазеров [5-8] необходимо быстрое возбуждение инверсной населенности. В быстродействующей коммутационной аппаратуре с лазерным управлением [9,10] важную роль играют электропроводность и минимальное время формирования канала. Плазменное ускорение частиц [11—15] в оптическом разряде возможно реализовать только в особом режиме его распространения - бегущем фокусе. Для эталонных источников света и плазменных антенн [16,17] требуются относительно долгоживущие оптические разряды. Таким образом, одним из наиболее существенных параметров греющего лазерного излучения являются длительность переднего фронта и общая продолжительность лазерного импульса, от которых зависят режим формирования и время существования плазменного канала.

Оптические разряды представляют интерес для реализации многочисленных устройств и технологий на их базе. Среди перспективных технологий можно выделить следующие:

1. Плазменный канал для транспортировки пучка заряженных частиц к термоядерной мишени [11,15] и передачи электроэнергии без проводов [9,10].

2. Источник оптической накачки и активных сред лазерных систем [5—7].

3. Системы противодействия опасным атмосферным явлениям, таким как грозы и торнадо [18,19].

4. Ракетный двигатель, превосходящий по основной своей характеристике — величине удельного импульса — лучшие двигатели на химическом топливе [20— 22].

Для большинства перечисленных применений и технологий требуется формирование сплошных протяженных оптических разрядов (десятки сантиметров — метры). Однако, протяженные оптические разряды, создаваемые в лазерных гауссовых пучках (при фокусировке излучения длиннофокусной сферической линзой), имеют дискретную структуру, в которой очаги пробоя чередуются с областями холодного газа [9,23]. Сплошной канал формируется в этих условиях электрическим пробоем по следу лазерной искры [9,23-25]. Сплошной протяженный оптический разряд можно также сформировать при поддержании горения "затравочного" разряда импульсом свободной генерации — режим "медленного горения". Например, за 5 мс можно сформировать разряд длиной 20 см [26]. Оптический разряд примерно такой же длины создан за 10 мкс фокусированием излучения лазера на поверхность твердого тела [17].

Длительное время формирования канала приводит к остыванию первоначально возникших плазменных зон и нарушению его однородности по температуре и плотности, что нежелательно. Неоднородность параметров возникает также из-за нелинейных эффектов взаимодействия греющего излучения при его распространении к дальним зонам канала. Эти недостатки устраняются при подводе энергии к области пробоя сбоку в бесселевых пучках (Б — пучках). Такие пучки можно получить при помощи конических линз - аксиконов [27].

Применение лазерных искр в той или иной области обуславливается их физическими (Те,ст), оптическими (яркость) и геометрическими параметрами (длина, диаметр).

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Марин, Михаил Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

L Создана уникальная экспериментальная установка, в состав которой входят:

- мощный одномодовый лазер на неодимовом стекле с длительностью лазерного импульса от 1 не до 700 мке;

- автоматизированная система управления установкой, позволяющая управлять лазером в автономном режиме и от ЭВМ, точность стабилизации напряжения на блоках питания усилителей составляет ± 3 В при напряжении до 5 кВ, система может работать по двуполярной схеме блоков питания;

- разработан и создан лазерный затвор, позволяющий в процессе эксперимента изменять длительность импульса от 0,8 до 10 не.

II. Разработан и создан макет настольного варианта лазера накачки — коммерческий образец малогабаритного (1,5 х 0,5 м) лазера с параметрами: длительность импульса - 2,0 не; энергия излучения - 10 Дж; частота — следования импульсов - 1/60 Гц.

Установка позволяет проводить эксперименты по широкому кругу вопросов:

- протяженные оптические разряды в бесселевых пучках в различных режимах пробоя;

- создание и изучение протяженных квазистационарных оптических разрядов;

- рентгеновский лазер на газовой и твердотельной мишени;

- разработка и создание быстродействующей коммутационной аппаратуры с лазерным управлением.

Оптическая схема лазера обладает большой стабильностью и надежностью. Например, без перенастройки лазер может работать не менее полугода со средней интенсивностью 150 - 200 выстрелов в месяц.

Ш. Впервые получен режим "бегущего фокуса" в оптическом разряде в бесселевых лазерных пучках, максимальная скорость распространения волны пробоя составила ~ 2,5 скорости света. Доказана возможность управления этой скоростью. IV. Впервые обнаружены три типа регулярной структуры канала разряда, расположенные вдоль его оси:

- мелкомасштабная, Ц ~ 2 Л/у2',

- крупномасштабная, с периодом L2 ~ 10-Ц;

- тонкая, с периодом L3 ~ ОД • Z,;

Установлены условия их образования. Измерено время слияния соседних очагов пробоя в сплошной канал, составляющее 0,5 не.

V. Исследована динамика пробоя и развития оптических разрядов при изменении длительности лазерного импульса от 700 мкс до 0,8 не (с фронтом нарастания 100 пс). Получены оптические разряды в бесселевых пучках с поддержанием горения импульсом свободной генерации. Проведенные эксперименты доказали, что поддержание горения оптического разряда возможно при пичковой структуре импульса свободной генерации. При этом не зарегистрировано синхронное с генерацией пичков изменение яркости разряда. Кроме того, доказана возможность осуществления режима медленного горения оптического разряда с использованием одного двухимпульсного лазера.

VI. Разработана технология изготовления формирователей бесселевого пучка (аксиконов) с любым профилем преломляющей поверхности.

УП. Предложены устройства для получения сплошных протяженных оптических разрядов в режиме медленного горения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Марин, Михаил Юрьевич, 2005 год

1. Meyerland R.G., Haught A.F., 1963, Phys. Rev. Letters, v. 11, p. 401.

2. Tomlinson R.G., 1969, IEEE J. Quantum Electronics, v. QE-5, p. 591-595.

3. Райзер Ю.П., 1970, ЖЭТФ, т. 58, с. 2127-2138.

4. Коробкин В.В., Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л. Я., Пятницкий Л.Н., 1985, Квантовая электроника, т. 12, № 5, с. 959-963.

5. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры. Атомиздат, 1978, 253 с.

6. Бункин Ф.В., Держиев В.И., Яковленко С.И., 1981, Квантовая электроника, т. 8, с. 1621-1649.

7. Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., Увалиев М.И. Плазменный лазер. Б.И., 1988, № 39, с. 243.

8. Suckewer S., 1990, Trudy Int. Symposium SWLA, Samarcand, p. 1.

9. Зворыкин В.Д., Николаев Ф.А., Холин И.В., Чугунов А.Ю., Шелоболин А.В., 1979, Физика плазмы, т. 5, с. 1140—1144.

10. Ю.Полонский Л. Я. Физические основы создания и применения сплошных протяженных лазерных искр. Диссертация на соискание ученой степени д.ф.— м.н., М., 1989 г.

11. Аскарьян Г.А., Тарасова Н.М., 1974, Письма в ЖТФ, т. 20, с. 277-280.

12. Аскарьян Г.А., Манзон Б.М., 1978, Письма в ЖЭТФ, т. 27, с. 113-117.

13. Аскарьян Г.А., Манзон Б.М., 1981, Физика плазмы, т. 7,255-266.

14. Аскарьян Г.А., Манзон Б.М., 1980, Физика плазмы, т. 6, 59-63.15.01sen J.N., ZeeperRJ., 1982, J. Appl. Phys, v. 53, p. 3397-3404.

15. Аскарьян Г.А., Раевский И.М., 1981, Письма в ЖТФ, т. 8, с. 1131-1137.

16. Аскарьян Г. А., Манзон Б.М., 1982, Письма в ЖТФ, т. 8, с. 1256-1260.

17. Меркулов В.И. Электрогравидинамическая модель НЛО, торнадо и тропического урагана. Новосибирск, Издательство Института математики, 1998 г.

18. Карельский В.Г., Марин М.Ю., 1999, Электронный журнал "Исследовано в России", вып. 44.

19. Бункин Ф.В., Прохоров А.М., 1976, УФН, т. 119, с. 423-446.

20. Jeng S.M., Keefert D.K., 1987, J. Propulsion, v. 3, № 3, p. 131-139.22. "Запуск аппаратов в космос при помощи лазеров", 1990, Chemical Engineering, v. 12, p. 54-57.

21. Данилов О.Б., Тульский С.А., 1978, ЖТФ, т. 48, с. 2040-2043.

22. Greig J.D., Koopman D.W., Fernsler R.F., Pechachek R.E., Vitkovsky I.M., Ali A.W., 1978, Phys. Rev. Letters, v. 41, p. 174-177.

23. Horton L.D., Gildenbach R.M., 1982, Phys. Fluids, v. 25, p. 1702-1704.

24. Буфетов И.А., Прохоров A.M., Федоров В.Б., Фомин В.К., 1981, Квантовая электроника, т. 8, р. 751—758.

25. Зельдович Б.Я., Мульченко Б.Ф., Пилипецкий Н.Ф., 1970, ЖЭТФ, т. 58, с. 794-795.

26. Волкова Н.А., Коробкин В.В., Малышева Е.Ю., Полонский Л.Я., Попонин В.П., Пятницкий Л.Н., 1984, препринт / Институт высоких температур АН СССР, М., №5/126, 33 с.

27. Марин М.Ю., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1986, Письма в ЖТФ, т. 12, с. 146-151.

28. Dunlin J., Miceli J.J., 1987, Phys. Rev. Lett., v. 58, p. 1499-1507.

29. Бронштейн И.Н., Семендяев К.A., 1980, Справочник по математике для инженеров, М., 976 с.

30. Андреев Н.Е., Аристов Ю.А., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1991, ЖЭТФ, т. 100, с. 1801-1805.

31. Мандельштам С.Л., Пашинин П.П., Прохоров А.М., Райзер Ю.П., Суходрев Н.И., 1965, Письма в ЖТФ, т. 49, с. 127-134.

32. Alcock A.J., de Michelis С., Richardson М.С., 1969, Appl. Phys. Letters, v. 15, p. 72-73.

33. Волков B.A., Григорьев Ф.В., Калиновский B.B., Кормер С.Б., Лавров Л.М., Маслов Ю.В., Урлин В.Д, Чудинов В.П., 1975, ЖЭТФ, т. 69, с. 115-121.

34. Островская Г.В., Зайдель А.Н., 1973, УФН, т.111, с. 579-615.

35. Райзер Ю.П., 1980, УФН, т. 132, с. 549-581.

36. Басов Н.Г., Бойко В.А., Крохин О.Н., Склизков Г.В., 1967, ДАН СССР, т. 173, с. 538-541.

37. Парфенов В.А., Пахомов Л.Н., Петрунысин В.Ю., 1976, Письма в ЖТФ, т. 2, с. 731-734.

38. Tremblay R., D-Astous J., Roy G., Blanshar M., 1979, Pressure gas. Optics comm., v. 28, p. 193-196.

39. Бункин Ф.В., Коробкин B.B., Куриный Ю.А., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н.,1983, Квантовая электроника, т. 10, с. 443-444.

40. Бычков С.С., Марин М.Ю., Пятницкий Л.Н., 1995, Труды ИОФАН, т. 50, с. 166-177.

41. Андреев Н.Е., Батенин В.М., Марголин Л.Я., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., Аристов Ю.А., Зыков А.И., 1989, Письма в ЖТФ, т. 15, с. 83-88.

42. Райзер Ю.П., 1972, УФН, т. 108, с. 429-463.

43. Бункин Ф.В., Конов В.И., Прохоров А.М., Федоров В.Б., 1969, Письма в ЖТФ, т. 9, с. 609-612.

44. Буфетов И.А., Прохоров A.M., Федоров В.Б., Фомин В.К., 1985, ЖТФ, т. 55, с. 96-102.

45. Буфетов И.А., Газодинамика распространения оптического разряда по лазерному лучу в режиме медленного горения. Диссертация на соискание ученой степени кф. м.н., М., 1982 г.

46. Коробкин В.В., Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н.,1984, препринт / Институт высоких температур АН СССР, М., №5/127, 32 с.

47. Марин М.Ю., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., Кузнецова Д.М., 1988, Труды IY Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала, с. 34—36.

48. Баландин С.Ф., Копытин Ю.Д., Литневский Л.А., 1988, Письма в ЖТФ, т. 14, с. 45-48.

49. Иванов А.В., Марин М.Ю., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1990, Труды YIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, с. 34-35.

50. Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1986, Б.И., №12, с. 282.

51. Полонский Л.Я. Формирование сплошной протяженной лазерной искры и электрофизические свойства ее канала. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.- м.н., М., 1984 г.

52. Marin М. Yu., Polonsky L. Ya., Pyatnitsky L. N., 1989, Ргос. XIX Intern. Conf. On Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, p. 508-509.

53. Воробьев В.Б., Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1984, препринт / Институт высоких температур АН СССР, М., №5/145, 25 с.

54. Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий JI.H., Тальвирский А.Д., 1992, препринт / Институт высоких температур АН СССР, М., №5/342, 34 с.

55. Марин М.Ю., Сидоров В.М., Андрианов А.В., Лебедев Л.О. 1983, Б.И. №5, с. 54.

56. Катошин Ю.Г., Колокольцева А.Л., Назарова О.И., Оберман Ф.М., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1982, Научные приборы, № 2(25), с. 56-60.

57. Аристов А.Г., Марголин Л.Я., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1989, Оптика атмосферы, № 2, с. 1299-1304.

58. Гинзбург В.А. Распространение электромагнитных волн в плазме. М., Физматгиз, 1960, с. 552.

59. Коробкин В.В., Костиков К.А., Марголин Л.Я., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1987, препринт / Институт высоких температур АН СССР, М., №5/215, 31с.

60. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: "Наука", 1974, с. 609 -613.

61. Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., 1984, Тезисы докладов на YI Всесоюзной конференции, Паланга, с. 345-346.

62. Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., Рейнгольд А.В., 1986, Труды YIII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск, т. 2, с. 235-239.

63. Баландин С.Ф., Копытин Ю.Д., Литневский Л.А., 1988, Письма в ЖТФ, т. 14, с. 45-48.

64. Коробкин В.В., Мандельштам С.Л., Папшнин П.П., Прохиндеев А.В., Прохоров A.M., Суходрев Н.К., Щелев М.Я., 1967, ЖЭТФ, № 53, с. 116-119.

65. Замышляев Б.В., Ступицкий Е.Л., Гузь А.Г., Жуков В.Н. Состав и термодинамические функции плазмы. Справочник. Энергоатомиздат, М., 1984.

66. Bychkov S.S., Marin М. Yu., Pyatnitsky L. N., 1992, Proc. Of Third Intern. Colloquium of X-Ray Laser, Schliersee, Germany, p. 439-442.

67. Марин М.Ю., Пильский В.И., Полонский Л.Я., Пятницкий Л.Н., Шейндлин А.Е., 1984, Письма в ЖТФ, т. 10, вып. 21, с. 1322-1325.

68. Яньков В.В., 1991, Физика плазмы, т. 17, № 4, с. 521-530.

69. Андреев Н.Е., Бычков С.С., Котляр В.В., Марголин Л.Я., Пятницкий Л.Н., Серафимович П.Г., 1996, Квантовая электроника, т. 23, № 2, с. 130-134.

70. Бычков С.С., Горлов С.В., Марголин Л.Я., Пятницкий Л.Н., Тальвирский А.Д., Шпатаковская Г.В., 1999, Квантовая электроника, т. 26, № 3, с. 229-236.

71. Коробкин В.В., Романовский М.Ю., 1995, Труды Института общей физики РАН, т. 50, с. 3-33.

72. Рахманин В.Ф., 2003, Двигатель, вып. 7, с. 28-38.

73. G. Emanuel and D.A. Guidice, 1995, Aerospace America, 15.

74. Lt Col, T.S. Kelso et al., 1994, "Unconventional Spaclffi", SPACECRAFT 2020, briefing, Air University.