CC BY
9УДК 53.083.91+53.082.54;621.373.8;533.9...15
К вопросу о динамике развития светоэрозионных поликанальных разрядов
© Е Ю. Локтионов, Ю.С. Протасов, Ю.Ю. Протасов, В.Д. Телех МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Описан развиваемый экспериментальный метод исследования динамики и макроструктуры оптических поликанальных разрядов (с временем возбуждения т ~ 10-8 с) как в атмосферных, так и в вакуумных условиях. Для создания встречных светоэрозионных газоплазменных потоков используются две конденсированные мишени, представляющие собой алюминиевые пленки толщиной 100... 200 нм, нанесенные со стороны зазора методом магнетронного распыления на стекло толщиной 2 мм. Экспериментальное определение динамики и макроструктуры поликанальных светоэрозионных разрядов выполняется методом поляризационной интерферометрии. Эти исследования необходимы при анализе и разработке широкого спектра фотонных энергоустановок высокой плотности мощности.
Ключевые слова: пространственно ограниченные разряды, кумулятивные разряды, оптические разряды с испаряющейся стенкой, макроструктура, эмиссионные характеристики
В настоящее время решение многих актуальных задач квантовой электроники, фотохимии и теплофизики в значительной степени определяется прогрессом в исследованиях и разработках плазменных высокоинтенсивных источников излучения. Требования, предъявляемые к источникам световой энергии для лазерных и фотохимических применений, весьма многообразны и зависят от конкретных условий их эксплуатации. Наиболее общие из них, определяющие перспективность разработок новых типов источников света, связаны с возможностями достижения высоких яркостных температур излучения, особенно в УФ-области спектра (Т > 15 000 К), и получения больших размеров излучающей поверхности, обеспечения высоких абсолютных и относительных (КПД) выходов излучения в потребных спектральных интервалах и формирования импульсов излучения с требуемыми временными параметрами (в первую очередь импульсов короткой длительности с крутыми передними фронтами), а также с возможностями выполнения ряда технологических условий, таких как многоразовость использования источника, способность работать в частотных режимах, изолированность плазмы от облучаемого объекта и др.
Исследование динамики, макроструктуры, эмиссионных характеристик кумулятивных плазм представляет особенный интерес в связи
с высокими значениями температур и давлений, достигаемых в зоне контакта. Увеличение концентрации и температуры частиц приводит к повышению степени ионизации и увеличению интенсивности вторичного коротковолнового излучения. Применение в качестве мишеней тонких пленок позволяет точно дозировать массовый расход компонентов и регулировать долю сообщенной энергии лазерного излучения, что крайне важно для точной регулировки параметров генерируемой плазмы сложного химического и ионизационного состава. В случае применения многослойных тонких пленок стехиометри-ческий состав смеси может легко поддерживаться постоянным.
Для исследования динамики пространственно ограниченных кумулятивных оптических разрядов с испаряющейся стенкой предлагается схема воздействия, показанная на рис. 1. В этой схеме луч греющего излучения 1 с помощью светоделителя 3 разделяется на два оптических плеча. Светоделитель чувствителен к плоскости поляризации падающего излучения, поворот полуволновой пластинки 2 позволяет изменять соотношение энергий излучения в плечах от 4:1 до 1:1. Далее излучение в каждом из плеч фокусируется кварцевой линзой 5 (Р ~ 50 мм) в середине зазора между двумя мишенями, представляющими собой алюминиевые пленки толщиной 200 нм, нанесенные со стороны зазора методом магнетронного распыления на стекло толщиной 2 мм. Кроме напыления, могут быть использованы и другие методы осаждения пленок, в том числе гетерогенных [1]. Применение длиннофокусных линз нежелательно из-за более протяженной каустики — в этом случае может быть достигнута пороговая для повреждения подложки плотность мощности излучения.
Рис. 1. Схема инициирования поликанального оптического разряда: 1 — греющее лазерное излучение; 2 — полуволновая пластинка; 3 — светоделитель; 4 — глухое зеркало; 5 — собирающая линза; 6 — тонкопленочная мишень
на подложке
В результате организованного таким образом воздействия имеет место столкновение лазерно-индуцированных плазменных потоков и (или) ударных волн в буферном газе и их многократное отражение от мишеней, приводящее к возникновению малоподвижных областей с высокой температурой.
Диагностика динамики и макроструктуры лазерно-индуцированных плазменных потоков осуществляется поляризационным интерферометром [2-4] (интерферометром Номарского), принцип действия которого заключается в следующем (рис. 2): зондирующее излучение твердотельного лазера с диодной накачкой 1-3 (Lasever LSR 405NL-300, LSR 671NL-300; Lighthouse Photonics Sprout-6W), предварительно линейно поляризованное под углом 45° с помощью полуволновых пластинок 4-6 и прошедшее через оптическую неоднородность, разделяется в призме Волластона 11 на два расходящихся под углом ~10° пучка, один из которых поляризован вертикально, а другой — горизонтально. Дополнительно угол разведения лучей может быть отрегулирован линзой 10 для оптимального использования поля кадра.
Рис. 2. Оптические схемы экспериментальных установок на основе поляризационного интерферометра с монохромными (а) и цветным (б) приемниками:
1, 2, 3 — лазеры с длиной волны соответственно 405, 532 и 671 нм; 4, 5, 6 — полуволновые пластинки с длиной волны соответственно 350...500, 532 и 600...800 нм; 7 — телескоп; 8 — окно вакуумной камеры; 9 — исследуемый объект; 10 — собирающая линза; 11 — призма Волластона; 12 — поляризационный фильтр; 13 — ПЗС-камера с электронно-оптическим преобразователем; 14 — цветная ПЗС-камера; 15 — вакуумная камера; 16 — нейтральный светофильтр
При использовании ахроматических (Edmund Optics NT46-55x АХ ~ 200.. .300 нм) или перестраиваемых (нулевого порядка, например, серии PO-TWP Alphalas или жидкокристаллических, например, серии LCC Thorlabs) полуволновых пластинок 4-6 без замены оптических элементов и доюстировки схемы могут применяться перестраиваемые лазеры аналогично [5]. Для того чтобы произошла интерференция в зоне перекрытия обыкновенного и необыкновенного лучей после прохождения призмы Волластона, вращением поляризационного фильтра 12 необходимо выровнять плоскость поляризации — снова под углом 45°, так как ортогонально поляризованные компоненты не интерферируют между собой. В области перекрытия сферических (после прохождения через собирающую линзу) волновых фронтов обыкновенного и необыкновенного лучей зондирующего излучения формируется интерференционная картина, а вне зоны перекрытия — теневая (абсорбционная) картина исследуемой области (рис. 3), для четкого разделения которых необходимо перекрыть часть пучка зондирующего излучения.
а
б
Рис. 3. Интерферограмма и тенеграмма зазора между мишенями при встречном облучении (532 нм, 12 нс, 10 Дж/см ) через 750 нс (а) и через
5 мкс (б) после воздействия
Применение цветной ПЗС-камеры (Видеоскан-205/Ц-USB с ПЗС-марицей SONY ICX205AK) позволяет ограничиться одним приемником излучения, так как из полученного изображения легко могут быть выделены каналы, соответствующие синему (400...450 нм), зеленому (530...570 нм) и красному (610.670 нм) цветам, обеспечивая, например, возможность выбора полос резонансного поглощения в каждом из этих диапазонов. В случае недостаточной чувствительности обычной ПЗС-матрицы могут применяться камеры с усилителями интенсивности, например, на основе микроканальных пластин (Nanogate-2, НПП «Наноскан»). Чтобы регистрация по-прежнему могла осуществляться одним приемником, необходимо развести лучи зондирующего излучения оптическим клином, расположенным до призмы Волластона. Преимущества такого решения особенно ярко проявляются, когда нет необходимости в двухмерном пространственном разрешении — при использовании широкополосного источника когерентного излучения (например, типа Fianium) с помощью щелевых диафрагм может быть выделено большое количество интересующих спектральных интервалов.
Пример регистрируемых тене- и интерферограмм показан на рис. 3. В результате организованного таким образом воздействия имеет место столкновение лазерно-индуцированных плазм и (или) ударных волн в буферном газе и их многократное отражение от мишеней, приводящее к возникновению малоподвижных областей с высокой температурой.
В вакууме коэффициент усиления в кумулятивной плазме линии Al II 3900,675 Â достигает 13,5 по сравнению с односторонним воздействием равной энергии в той же геометрии. В атмосферных условиях усиление этой линии составляет ~ 8,4 раза, линии O III 3944,85 Â--9,4 раза, линий ионов азота — в 3-6 раз.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (госконтракт № 14.518.11.7009) и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 11-08-00843, 12-08-12047, 13-08-01391).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.Ю. Светоэрозионный метод генерации пылевых газоплазменных потоков высокого давления. Приборы и техника эксперимента, 2010, № 4, с. 145-149.
[2] Benattar R., Popovics C., Sigel R. Polarized light interferometer for laser fusion studies. Review of Scientific Instruments, 1979, vol. 50, no. 12, pp. 1583-1586.
[3] Hough P. Laser, optical and electrical diagnostics of colliding laser-produced plasmas. Dis. ... Ph. D. Dublin, 2010, 222 p.
[4] Borner M., Fils J., Frank A., Blazevic A., Hessling T., Pelka A., Schaumann G., Schokel A., Schumacher D., Basko M.M., Maruhn J., Tauschwitz A., Roth M. Development of a Nomarski-type multi-frame interferometer as a time and space resolving diagnostics for the free electron density of laser-generated plasma. Review of Scientific Instruments, 2012, vol. 83, no. 4, p. 043501.
[5] Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.Ю., Телех В.Д. Измерение температурной зависимости оптических характеристик материалов в вакууме. Приборы и техника эксперимента, 2012, № 1, с. 149-153.
Статья поступила в редакцию 19.06.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.С., Протасов Ю.Ю., Телех В.Д. К вопросу о динамике развития светоэрозионных поликанальных разрядов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 10. URL: http://engjournal.ru/ catalog/ machin/plasma/1040.html
Локтионов Егор Юрьевич — канд. техн. наук, заведующий лабораторией учебно-научного центра «Фотонная энергетика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, специалист в области экспериментальных исследований радиационно-плазмодинамических и оптотеплофизических процессов взаимодействия мощного излучения с веществом всех агрегатных состояний с использованием новейших методов диагностики. Автор более 50 работ в данной области. e-mail: [email protected]
Протасов Юрий Степанович — д-р физ.-мат. наук, профессор, заместитель научного руководителя Объединенного учебно-научного центра фотонной энергетики и фотонных технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специалист в области физики и техники низкотемпературной плазмы, радиационной газоплазмодинамики и физической электроники. Автор более 400 научных работ, более 10 книг и 300 изобретений. e-mail: [email protected]
Протасов Юрий Юрьевич — д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, специалист в области фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований радиационно-плазмодинамических и оптотеплофизических процессов взаимодействия мощного излучения с веществом всех агрегатных состояний. Автор более 100 работ в данной области. e-mail: [email protected]
Телех Виктор Дмитриевич — канд. техн. наук, директор учебно-научного центра «Фотонная энергетика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, специалист в области фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований термодинамических, оптических и транспортных свойств низкотемпературной неидеальной плазмы. Автор более 50 работ в данной области. e-mail: [email protected]
