CC BY
22УДК 537.521
Н.А. Ашурбеков, Г.Ш. Шахсинов, А.Р. Рамазанов
Лазерно-индуцированные эффекты взаимодействия широкополосного
лазерного излучения с плазмой наносекундных разрядов в плазменном
волноводе
Дагестанский государственный университет, nashurb@mail.ru
Экспериментально исследовано взаимодействие широкополосного лазерного излучения с плазмой высокоскоростных волн ионизации в цилиндрических плазменных волноводах, заполненных неоном в диапазоне давлений газа 1-60 Торр. Обнаружены эффекты формирования контура дисперсионного типа вблизи спектральной линии поглощения с длиной волны 650,2 нм.
Ключевые слова: наносекундный разряд, взаимодействие лазерного излучения.
The interaction of broadband laser irradiation with plasma of high-velocity ionization waves in cylinder plasma waveguides filled with neon within gas pressure range of 1-60 Torr has been experimentally studied. The effects of formation of dispersed-type contour near the resonant absorption line with the wave length of 650,2 nm have been discovered.
Key words: nanosecond discharge, interaction of laser irradiation.
Введение
Наносекундные газовые разряды в условиях формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) являются эффективными источниками оптического излучения. В таких системах формируются значительные плотности метастабильных атомов (см., например, [1]), и как следствие - их можно использовать в качестве резонансных поглощающих или усиливающих свет сред.
Взаимодействие широкополосных полихроматических лазерных импульсов с оптически плотной резонансной протяженной средой без инверсии заселенностей сопровождается рядом линейных и нелинейных эффектов. В частности, был обнаружен ряд весьма интересных коллективных эффектов, обусловленных прежде
12 —3
всего высокой концентрацией (~10 см ) метастабильных атомов в плазме [2-4]. Теоретическая модель, описывающая эти эффекты, основана на решении полуклассических уравнений Максвелла - Блоха для условий, при которых поле накачки не разрушает дипольное взаимодействие атомов через фотоны пробного поля.
Настоящая работа посвящена исследованию лазерно-индуцированных эффектов взаимодействия широкополосного лазерного излучения с оптически плотной плазмой за фронтом ВВИ, распространяющихся в плазменных волноводах.
Методика и техника эксперимента
Выполнены экспериментальные исследования лазерно-индуцированных эффектов в плазме высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в неоне, формируемых в цилиндрическом волноводе. Исследования проводились при различных начальных условиях (давлениях газа и амплитудах высоковольтных импульсов напряжения на электродах плазменного волновода), а также при нескольких режимах формирования и распространения ВВИ.
Плазменный волновод состоял из стеклянной разрядной трубки длиной около 50 см и внутренним диаметром около 1 см, снабженной внутренними электродами. Электроды изготовлены из алюминия в виде полых цилиндров, сквозь кото-
рые распространялось лазерное излучение и регистрировалось оптическое излучение разряда вдоль трубки. Разрядная трубка помещалась в металлический экран диаметром 2 см и образовывала вместе с разрядной трубкой плазменный волновод. Напуск газа и откачка разрядной камеры осуществлялись через два специальных отвода на электродах, соединенных с вакуумной системой и баллоном с газом.
Для формирования высокоскоростных волн ионизации был разработан специальный генератор высоковольтных импульсов напряжения, собранный по трансформаторной схеме в коаксиальном исполнении, в котором первичная обмотка состояла из 4 витков, а вторичная обмотка состояла из двух обмоток по 12 витков в каждой. Такой ГИН вырабатывал импульсы напряжения амплитудой до 40 кВ с частотой следования до 100 Гц. Подробное описание экспериментальной установки приведено в [1].
В качестве источника зондирующего лазерного излучения использовался лазер на красителе и накачкой эксименным лазером на ХеС1 с длиной волны лазерной генерации 308 нм.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Были выполнены две серии экспериментов. В первой серии экспериментов исследовалось взаимодействие лазерного излучения с неоднородной плазмой нано-секундного разряда в неоне за фронтом ВВИ при распространении лазерного излучения параллельно оси плазменного волновода. Во второй серии экспериментов лазерное излучение распространялось под небольшим углом к оси плазменного волновода. При зондировании плазмы лазерным излучением на входные и выходные концы разрядной трубки накладывались диафрагмы диаметром 1 мм. Этим достигалась, в частности, параллельность проходящего светового пучка лазера на красителе оптической оси разрядной трубки.
Экспериментальные исследования показали, что при распространении лазерного излучения вдоль оптической оси плазменного волновода наблюдается классическое поглощение с Фойгтовским профилем контура спектральной линии поглощения на фоне широкополосного спектра излучения лазера на красителях. Характерные спектры поглощения классической формы, наблюдаемые в данном случае, приведены на рис. 1 для фиксированной времени задержки между импульсами ВВИ и импульсами лазера при одних и тех же значениях давления газа и напряжения на электродах трубки.
Измерения поглощения показали, что при прохождении лазерного излучения вдоль стенок трубки (2 мм от стенок) степень поглощения больше, чем при прохождении лазерного излучения вдоль центра трубки. При прохождении излучения вдоль стенки разрядной трубки наблюдается практически полное поглощение излучения лазера на красителе вблизи длины волны неона 650,6 нм (рис. 2), что связано с поглощением света метастабильными атомами неона. В рассматривае-
13 —3
мых условиях их концентрация составляет величину порядка 10 см .
нм
Рис. 1. Спектр поглощения при задержке между импульсом ВВИ и лазерным импульсов 134 нс. Давление неона 20 Торр, амплитуда напряжения 36 кВ
НМ
Рис. 2. Спектр поглощения при прохождении лазерного излучения вдоль стенок разрядной трубки. Задержка между импульсом ВВИ и лазерным импульсом - 94 нс. Давление 20 Торр, амплитуда импульсов напряжения - 28 кВ
Вторая серия экспериментов была проведена в случае, когда лазерное излучение распространялось под углом к оптической оси разрядной трубки. При этом наблюдалось искривление контура линии спектральной линии поглощения.
Схема прохождения лазерного излучения по разрядной трубке приведена на рис. 3.
Искривление контура поглощения спектральной линии и формирование профиля дисперсионного типа наблюдалось в случае, когда лазерное излучение входило в трубку с одного от края, а выходило с противоположного края разрядной трубки.
Вход Выход
Рис. 3. Схематическое изображение вариантов прохождения лазерного луча, при которых наблюдается искривление контура спектральной линии поглощения
200-,
<Ц
о
д" н о о я
И 8 о
Я
<ц
к
100-
нм
Рис. 4. Спектр лазера на красителе вблизи спектральной линии поглощения в неоне после взаимодействия с ВВИ. Задержка между фронтом импульса ВВИ и лазерным импульсом 56 нс. Давление неона 20 Торр. Амплитуда импульсов напряжения 28 кВ
На рис. 4 представлен характерный вид контура спектра лазера на красителе вблизи линии поглощения в неоне после прохождение через плазменный волновод. Как видно из рис. 4, искривленный контур спектральной линии поглощения приобретает форму дисперсионной кривой, характерной для явления аномальной дисперсии. Дисперсионная кривая выражает зависимость действительной части показателя преломления среды от частоты излучения, проходящего через эту среду, т. к. в области аномальной дисперсии (т. е. вблизи линии поглощения) показатель преломления п(ю) является комплексной величиной. Именно при прохождении лазерного излучения под углом к оси плазменного волновода, изображенной на рис. 3, наблюдается искривление контура линии поглощения. Лазерное излу-
чение в этих случаях проходит в плазменном волноводе область с нелинейным показателем преломления, конкретный вид нелинейности которого зависит от распределения параметров плазмы по сечению трубки.
Таким образом, проведенный набор экспериментальных исследований показывает, что:
1. Все наблюдаемые в данной работе эффекты и закономерности взаимодействия лазерного излучения с плазмой наносекундных разрядов обусловлены наличием метастабильных атомов в достаточно больших (порядка 10 см- ) концентрациях;
2. При однородном распределении концентраций метастабильных атомов вдоль направления распространения широкополосного лазерного излучения наблюдается классическая Фойгтовская линия поглощения;
3. Контур линии поглощения дисперсионного вида наблюдается в том случае, когда лазерное излучение распространяется под углом к продольной оси разряда и область разряда ограничена стенками.
Анализ полученных результатов взаимодействия лазерного излучения и ВВИ показывает, что при распространении лазерного излучения под углом к оси плазменного волновода нарушается классическое соотношение для поглощения по закону Ламберта - Бэра. Известно, что существуют разные механизмы отклонения от закона Ламберта - Бэра, в основе которых лежат когерентные кооперативные или нелинейные явления [2-4] .
Одним из методов описания явления когерентного и нелинейного взаимодействия лазерного излучения с плазмой является модель связанных осцилляторов поля и вещества. Такой подход основан на классических уравнениях Максвелла для электромагнитного поля и квантовомеханических уравнениях Блоха для атома. Оптические уравнения Блоха являются прямым следствием уравнения Гей-зенберга для эволюции матрицы плотности многоуровневого атома. В рамках данной модели атом предполагается двухуровневым. В данной работе проводится анализ наблюдаемых лазерно-индуцированных эффектов в приближении уравнения Блоха.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. и Фонда РФФИ, проект 10-02-01022-а.
Литература
1. АшурбековН.А., КурбанисмаиловВ.С., Омаров О.А., ОмароваН.О. // ТВТ. 2000. Т. 38, № 5. - С. 823-839
2. Васильев В.В., Егоров В.С., Федоров А.Н., Чехонин И.А. // Опт. и спектр. 1994. Т. 76, № 1. - С. 146-160.
3. Багаев С.Н., Егоров В.С., Мехов И. Б., Морошкин П.В., Чехонин И.А. // Опт. и спектр. 2002. Т. 93, № 6. - С. 1033-1040.
4. Багаев С.Н., Егоров В.С., Мехов И.Б. и др. // Опт. и спектр. 2003. Т. 94, № 1. - С. 99-106.
