CC BY
5ФИЗИКА
УДК 537.521
Н.А. Ашурбеков, К. О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов, А.Р. Рамазанов
Особенности распространения широкополосного лазерного излучения в неоднородной плазме вблизи узкой спектральной линии поглощения
Дагестанский государственный университет, nashurb@mail. ru
Экспериментально показано, что при распространении широкополосного лазерного излучения под углом к слоистой структуре наносекундного разряда в инертных газах узкая спектральная линия поглощения искажается и приобретает вид дисперсионной кривой. Максимум этой кривой формируется на коротковолновом крыле спектральной линии поглощения.
Ключевые слова: наносекундный разряд, спектр поглощения.
It has been experimentally shown that under the propagation of broadband laser irradiation at an angle to the stratified structure of nanosecond discharge in inert gases the narrow spectral absorption line is distorted and acquires the form of dispersion curve. The curve's maximum is formed on the short-wave wing of the spectral absorption line.
Keywords: nanosecond discharge, absorption spectrum.
Известно, что при взаимодействии когерентного лазерного излучения с оптически плотной резонансно поглощающей средой возникает ряд эффектов, связанных с преобразованием частотного спектра лазерного излучения [1-3]. Учет таких эффектов необходим, в частности, для решения задач диагностики плазмы лазерными методами. В ранее выполненных исследованиях [4, 5] показано, что при соответствующих условиях в поперечных наносекундных разрядах формируются неоднородные плазменные структуры, в т. ч. в виде стоячих страт. Обилие и разнообразие физических процессов и неоднородное пространственное распределение заряженных и возбужденных частиц в плазме таких типов разрядов позволяет детально исследовать наиболее типичные процессы взаимодействия когерентного лазерного излучения с неоднородными поглощающими средами. Одной из особенностей плазмы таких разрядов является возможность получения в них метастабильных атомов с плотностью, сопоставимой с плотностью электронов плазмы. При взаимодействии с такой средой лазерного излучения наносекундной длительности могут проявиться принципиально новые лазерно-индуцированные эффекты, обусловленные как нелинейными свойствами, так и коллективными эффектами с участием метастабильных состояний атомов.
Целью данной работы является экспериментальное исследование эффектов распространения широкополосного наносекундного лазерного изучения в нестационарной неоднородной плазме наносекундного разряда с щелевым катодом вблизи узкой спектральной линии поглощения.
Экспериментальные установки и методика исследования
Для экспериментального исследования эффектов распространения лазерного излучения использовалась неоднородная плазма, формируемой внутри полости катода наносекундного разряда с щелевым катодом. Схема разрядной камеры и электродного узла приведены на рис. 1 [4, 5].
5
1
г
а)
б)
Рис. 1. Вид разрядной камеры: а) общий вид разрядной камеры; б) поперечное сечение электродов (1 -кварцевая труба; 2 - анод; 3 - катод; 4, 5 - напуск и откачка газа)
Разрядная камера представляет собой кварцевую трубку диаметром 5 см, в которую помещена электродная система из двух алюминиевых электродов длиной 40 см, расположенных на расстоянии 0,6 см друг от друга (рис. 1). Катод имеет сложную геометрию: это цилиндрический стержень диаметром 1,2 см, вдоль которого прорезана прямоугольная полость шириной 0,2 см, глубиной 0,6 см. Анод представляет собой плоскую пластину с шириной 2 см и толщиной 0,5 см.
Выбор такой формы поверхности катода и расстояния между электродами обусловлен требованиями устойчивого горения объемного разряда при средних давлениях рабочего газа.
Для исследования пространственно-временного распределения оптического (интегрального по спектру) излучения разряда в разрядном промежутке использовалась ПЗС-камера типа ЬТУ-СМН-400 со следующими характеристиками: ПЗС - матрица 1/3" 8опу8ирегНАБ, количество элементов 752х582, чувствительность 0,003 Лк, отношение сигнал/шум 46 dB.
Для выделения отдельных спектральных линий использовался монохроматор/спектрограф типа М8 75041 с диапазоном длин волн от 200 до 1100 нм под управлением персонального компьютера.
На динамику развития наносекундных разрядов в инертных газах существенное влияние оказывают метастабильные состояния атомов. Имеется много разновидностей методов определения заселенностей нижних уровней, основанного на измерении коэффициентов поглощения спектральных линий. В настоящей работе используются два метода - метод лазерной абсорбционной спектроскопии с наносекундным временным разрешением и простой метод измерения реабсорбции излучения - метод одного плоского зеркала за трубкой. Последний метод использовался в тех случаях, когда спектр генерации широкополосного лазера на красителе не совпадал с интересующей спектральной линией поглощения.
Использование в качестве источника сплошного спектра лазера на красителе позволяет получить временное разрешение порядка длительности импульса генерации лазера (у газоразрядных эксимерных лазеров длительность импульса генерации составляет величину порядка 10 нс в зависимости от конкретной схемы возбуждения). С другой стороны, высокая стабильность генерации лазера на красителе и применение системы регистрации с накоплением позволяют регистрировать относительное поглощение, равное по величине ~ 0,1 % , что говорит о высокой чувствительности этого метода.
Особое внимание при описании методики экспериментального исследования необходимо уделить спектральной чувствительности ПЗС-камеры и ФЭУ. Спектральные свойства ФЭУ определяются, как и для фотоэлементов, чувствительностью фотокатода и прозрачностью окна колбы.
Использованный в данной работе лазер на красителях с накачкой от эксимерного лазера типаСЬ 5000 генерирует в области спектра от 350 до 600 нм. Накачка лазера на красителе производилась через кварцевую цилиндрическую линзу по поперечной схеме накачки.
Экспериментальное исследование взаимодействия широкополосного лазерного излучения с плазменными структурами в высоковольтных наносе-кундных разрядах со щелевым катодом
Были выполнены систематические комплексные экспериментальные исследованияэлек-трических, оптических характеристик и пространственно-временного распределения интегрального по спектру излучения в разрядном промежутке и в полости катода высоковольтных поперечных наносекундных разрядов при различных значениях давления газа в разрядной камере и прикладываемого к электродам внешнего напряжения. Исследования проводились в разрядах в гелии, неоне и аргоне с различными электродными системами, состоящими из плоского анода и катода с различной геометрией поверхности. Причем в случае полого катода с прямоугольной полостью исследовались открытый и ограниченный (область разряда ограничивалась вставными диэлектрическими пластинками из полированного стеклотекстолита) типы разряда.
На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения горения и разрядного тока и соответствующие им картины пространственной структуры разряда в неоне с электродной системой с катодом с прямоугольной полостью. При условиях, когда в разрядном промежутке формируется периодическая плазменная структура, осциллограммы напряжения горения имеют практически одинаковую форму с длительностью переднего фронта 100-150 нс и со ступенькой на вершине длительностью от 500 до 1500 нс. Такая форма осциллограмм характерна для недо-напряженного промежутка при импульсном пробое газов, когда между моментом приложения напряжения к промежутку и началом пробоя проходит некоторое время, называемое временем запаздывания пробоя. Какой то однозначной зависимости времени запаздывания от давления газа не наблюдается. Это, по-видимому, связано с вероятностным характером наступления начала пробоя, которое в основном определяется предпробойными явлениями.
Сопоставление осциллограмм напряжения горения и разрядного тока с оптическими картинами разряда показывает, что периодическая структура формируется на стадии сформировавшегося разряда. Следовательно, из длительности импульса тока можно оценить длительность существования периодической плазменной структуры в импульсном разряде. Такие оценки показывают, что длительность существования периодической структуры в гелии больше, чем в неоне и аргоне, и составляет примерно 500 нс.
и,В
200400600800
1,А
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
1,нс
Рис. 2. Характерный вид осциллограмм напряжения горения, тока разряда и пространственное распределение оптического излучения разряда
При увеличении значения прикладываемого к электродам напряжения наблюдаемые закономерности сохраняются, но при этом время запаздывания пробоя стремится к нулю, амплитудные значения напряжения горения и разрядного тока существенно возрастают, длительности уменьшаются и соответственно уменьшается и время существования периодической структуры до 50 нс.
В работе были выполнены исследования процессов взаимодействия широкополосного лазерного излучения с плазмой поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом. Экспериментальные исследования были проведены при различных начальных условиях (давлении
0
газа и амплитудах прикладываемых к электродам высоковольтных импульсов напряжения). В основном исследования были выполнены в неоне и гелии.
На рис. 3 представлен характерный панорамный спектр спонтанного излучения поперечного наносекундного разряда в неоне, полученный с помощью монохроматора/спектрографа типа М8 75041 прир = 10 Тор и и0 = 1,5 кВ. В исследуемом диапазоне наблюдаются три ярко выраженные линии излучения:^ = 650,6 нм, соответствующий переходу 383?1-3р3Б2;Я = 653,2 нм, соответствующий переходу 383Р0-3р3Б^ X = 656,27 нм, соответствующий Н-альфа переходу.
300
200
Ф
X I-
о
100
0 -
wj
648
656
650 652 654
1 ,нм
Рис. 3. Спектр излучения разряда в неоне в исследуемом диапазоне (1 - X = 650,6 нм, 2 - X = 653,2 нм, 3 - X = 656,27 нм)
Анализ спектров поглощения и люминесценции позволяет сделать вывод о том, что в области 645-660 нм (для красителя Оксазин-17) наблюдаются три линии поглощения в неоне на фоне спектра лазера на красителе, причем контур линии поглощения на длине волны 650,6 нм приобретает форму дисперсионного контура при задержке лазерного импульса относительно переднего фронта импульса поперечного разряда наносекундной длительности примерно 60 нс, в то время как при больших задержках (более 300 нс) наблюдается обычный контур поглощения. Динамика этого явления была детально исследована в зависимости от давления рабочего газа в камере, амплитуды импульсов прикладываемого к электродам напряжения и направления распространения лазерного излучения относительно оси поперечного разряда. Отметим, что на спектре лазера на красителе после прохождения через разрядную камеру наблюдаются три линии поглощения и только одна из них на длине волны 650,6 нм приобретает дисперсионный вид при определенных задержках между импульсом лазера и передним фронтом импульса прикладываемого напряжения наносекундной длительности.
Детальные исследования этого явления и систематизация полученных результатов позволили экспериментально установить, что наблюдаются два режима взаимодействия широкополосного лазерного излучения с плазмой поперечного наносекундного разряда с щелевым катодом в разрядном промежутке. Многочисленные воспроизводимые эксперименты показали, что при распространении лазерного излучения вдоль оси разрядной камеры параллельно поверхности электродов наблюдается обычный контур линии поглощения Фойгтовского типа. При распространении лазерного излучения параллельно оси разряда на различных расстояниях от поверхности анода величина поглощения изменялась в ту или другую сторону, но форма спектральной линии поглощения сохранялась.
На рис. 4 и 5 приведены характерные спектры поглощения лазерного излучения при различных временах задержки между импульсом лазера и передним фронтом импульса разряда, когда лазерное излучение распространяется вдоль оси разрядной камеры параллельно поверхности электродов. Из приведенных рисунков видно, что с ростом времени задержки величина поглощения сначала растет, выходит на максимум при временах задержки, равных примерно 190-200 нс и при дальнейшем увеличении времени задержки наблюдается уменьшение величины поглощения. Наблюдается зависимость величины поглощения и от давления газа в камере. Максимальное значение поглощения наблюдается при давлениях газа в камере порядка 30 Тор.
2
3
Анализ широкополосного спектра лазера на красителе после взаимодействия с плазмой поперечного наносекундного разряда показал, что искажения контура спектральной линии поглощения с формированием дисперсионного вида наблюдаются, если лазерное излучение распространяется в прямоугольной полости катода под некоторым углом к внутренней поверхности полости. Для определения условий формирования дисперсионного вида контура линии поглощения была поставлена серия экспериментов с использованием специальных диафрагм, установленных на входе и выходе разрядной камеры. Систематизация результатов этих экспериментов позволила установить возможность реализации дисперсионного контура с максимумом слева от резонансной частоты спектрального перехода.
1 ,нм
Рис. 4. Спектр поглощения в разряде в неоне при р = 10 Тор, = 1,5 кВ, задержка между импульсами лазера и разряда 56 нс
, ,, * л; гзг
Рис. 5. Фотографии спектров излучения и поглощения лазерного излучения в разряде в неоне при и = 1,5 кВ (а - р = 1 Тор; б - р = 10 Тор; в - р = 30 Тор)
И в этом случае наблюдается явная зависимость величины поглощения и формирования дисперсионного контура от давления рабочего газа в камере. Из фотографий спектров, приведенных на рис. 5, видно, что при давлении газа в камере 1 Тор фотографии спектра лазерного излучения, прошедшего через разрядную камеру без разряда и при горящем разряде практически не отличаются, то есть при таком давлении не наблюдается поглощения на спектре лазерного излучения. При увеличении давления газа в камере на фотографии спектра начинает появляться контур поглощения, этот контур имеет явно дисперсионный характер и с ростом давления газа контур поглощения проявляется все сильнее.
Таким образом, эксперименты показывают, что контур спектральной линии поглощения приобретает вид дисперсионной кривой, причем максимум этой кривой формируется на коротковолновом крыле спектральной линии поглощения. Характерные для этого случая спектры поглощения лазерного излучения при различных временах задержки между импульсом лазера и передним фронтом импульса разряда, когда лазерное излучение распространяется внутри прямоугольной полости катода под некоторым углом к внутренней поверхности щели, приведены на рис. 6. Из этого рисунка видно, что с ростом времени задержки величина поглощения растет и выходит на максимум при временах задержки, равных примерно 200 нс. При дальнейшем увеличении времени задержки наблюдается уменьшение величины поглощения, и при временах задержки импульса лазерного излучения 300-320 нс поглощение на спектрах излучения полностью исчезает.
l ,нм
Рис. 6. Спектр поглощения в разряде в неоне при р = 10 Тор, U0 = 1,5 кВ, задержка между импульсами лазера и разряда 146 нс (а) и 220 нс (б)
Таким образом, систематизация всего набора экспериментальных результатов показывает,
что:
1. При распространении лазерного излучения вдоль оси наносекундного разряда или параллельно поверхности электродов в разрядном промежутке формируется обычная спектральная линия поглощения Фойгтовского типа.
2. Наблюдается явная зависимость величины поглощения от давления рабочего газа в камере. При давлениях газа р < 1 Тор контур поглощения на спектре излучения лазера полностью исчезает.
3. При распространении лазерного излучения внутри прямоугольной полости катода под некоторым углом к внутренней поверхности полости спектральная линия поглощения искажается и приобретает вид дисперсионной кривой. Максимум этой кривой формируется на коротковолновом крыле спектральной линии поглощения.
4. Эффект искажения контура спектральной линии поглощения зависит от задержки между импульсом лазера и передним фронтом импульса, прикладываемого к электродам напряжения, и проходит через максимум при задержке около 200 нс.
Работа выполнена при поддержке ЦКП «Аналитическая спектроскопия», ГК № 16.552.11.7051 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».
Литература
1. Багаев С.Н., Егоров B.C., Морошкин П.В., Фёдоров А.Н., Чехонин И.А. // Опт. и спектр. 1999. Т. 86, № 6. - С. 912.
2. Баев В.М. Автомодуляция интенсивности излучения широкополосного лазера при наличии в резонаторе сильных линий поглощения // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 42. Вып. 10. - С. 416-418.
3. Васильев В.В., Егоров В.С., Федоров А.Н., Чехонин И.А. Лазеры и лазерные системы на основе кооперативных эффектов в оптически плотных резонансных средах без инверсии населен-ностей // Оптика и спектроскопия. 1994. Т. 76, № 1. - С. 146-160.
4. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С. Формирование высокоэнергетич-ных электронов в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом при средних давлениях рабочего газа // ЖТФ. 2010. Т. 80. Вып. 8. - С. 63-70.
5. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С. Периодические плазменные структуры в наносекундном разряде с щелевым катодом // ПЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 16. - С. 6269.
6. Ашурбеков Н.А., Иминов К.О., Кобзев О.В., Кобзева В.С., Шахсинов Г.Ш. Исследование влияния профиля поверхности катода на электрокинетические и оптические характеристики высоковольтного наносекундного разряда // Вестник ДГУ. 2011. Вып. 1. - С. 5-13.
Поступила в редакцию 02.10.2011 г.
