ОПТИ́ЧЕСКИЕ РАЗРЯ́ДЫ

ОПТИ́ЧЕСКИЕ РАЗРЯ́ДЫ, га­зо­раз­ряд­ные яв­ле­ния, ана­ло­гич­ные элек­три­чес­ким раз­ря­дам в га­зах, воз­ни­каю­щие под дей­ст­ви­ем мощ­ных све­то­вых (ла­зер­ных) по­лей. До изо­бре­те­ния ла­зе­ров изу­ча­лись и ис­поль­зо­ва­лись га­зо­вые раз­ря­ды в по­лях бо­лее низ­ких час­тот, чем оп­ти­че­ские: в по­сто­ян­ном элек­трич. по­ле, в ВЧ- и СВЧ-по­лях. Раз­ли­ча­ют два осн. ти­па О. р.: 1) ла­зер­ная ис­кра – оп­тич. про­бой га­за; 2) не­пре­рыв­ный О. р. – под­дер­жа­ние в га­зе уже имею­ще­го­ся ио­ни­зо­ван­но­го со­стоя­ния под дей­ст­ви­ем оп­тич. из­лу­че­ния.

Оптический пробой

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

(ОП) об­на­ру­жен амер. учё­ны­ми в 1963 при ис­поль­зо­ва­нии ла­зе­ра с мо­ду­ли­ро­ван­ной доб­рот­но­стью, ко­то­рый да­ёт т. н. ги­гант­ский им­пульс (с дли­тель­но­стью $\tau \approx$30 нс, энер­ги­ей 1 Дж, пи­ко­вой мощ­но­стью 30 МВт). Ко­гда луч ру­би­но­во­го ла­зе­ра был сфо­ку­си­ро­ван лин­зой, в воз­ду­хе в об­лас­ти фо­ку­са вспых­ну­ла ис­кра и об­ра­зо­ва­лась плаз­ма. ОП про­ис­хо­дит, ко­гда ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния $S$ [Вт/см²] и элек­трич. по­ле све­то­вой вол­ны $E=19\sqrt{S}$ [B/cм] пре­вос­хо­дят не­ко­то­рые по­ро­го­вые зна­че­ния ($S_п \approx$10⁵ МВт/см² и $E_п \approx$6·10⁶ В/см в воз­ду­хе). Ви­ди­мая вспыш­ка, сви­де­тель­ст­вую­щая о про­бое, по­яв­ля­ет­ся, ес­ли в об­лас­ти фо­ку­са лин­зы ро­ж­да­ет­ся по­ряд­ка 10¹³ элек­тро­нов. По­ро­го­вые зна­че­ния (по­ро­ги про­боя) $S_п$, $E_п$ за­ви­сят от ро­да га­за, дав­ле­ния, час­то­ты све­та, от диа­мет­ра фо­ку­са, дли­тель­но­сти им­пуль­са и рас­пре­де­ле­ния ин­тен­сив­но­сти по се­че­нию. При не чрез­мер­но вы­со­ких дав­ле­ни­ях $p$ по­ро­го­вые зна­че­ния сни­жа­ют­ся с рос­том дав­ле­ния, но, на­чи­ная с $p \sim$10²–10³ атм, с уве­ли­че­ни­ем $p$ по­ро­ги пробоя рас­тут (рис. 1). Про­бить од­но­атом­ные га­зы обыч­но лег­че, чем мо­ле­ку­ляр­ные. На час­то­тах, со­от­вет­ст­вую­щих ви­ди­мой и ИК-об­лас­тям спек­тра, по­ро­ги пробоя сни­жа­ют­ся с умень­ше­ни­ем час­то­ты излучения: для не­оди­мо­во­го ла­зе­ра (дли­на вол­ны $\lambda=$1060 нм) $S_п$, $E_п$ мень­ше, чем для ру­би­но­во­го ($\lambda \approx$694 нм). По­ро­ги по­ни­жа­ют­ся так­же при уве­ли­че­нии фо­кус­но­го пят­на 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 од­но­вре­мен­ном по­гло­ще­нии не­сколь­ких кван­тов ла­зер­но­го из­лу­че­ния (по­сколь­ку по­тен­циа­лы ио­ни­за­ции ато­мов зна­чи­тель­но боль­ше энер­гии од­но­го кван­та). В по­ле све­то­вой вол­ны элек­трон при­об­ре­та­ет энер­гию, ио­ни­зу­ет атом; вме­сто од­но­го энер­гич­но­го элек­тро­на по­яв­ля­ют­ся два мед­лен­ных; за­тем про­цесс по­вто­ря­ет­ся. Так про­ис­хо­дит раз­мно­же­ние элек­тро­нов.

Со­глас­но пред­став­ле­ни­ям клас­сич. тео­рии, в ос­цил­ли­рую­щем по­ле на по­сту­па­тель­ное дви­же­ние элек­тро­на на­кла­ды­ва­ют­ся ко­ле­ба­ния вдоль век­то­ра на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$ с энер­ги­ей по­ряд­ка $\Delta \mathscr E=e^2E^2/(m\omega^2)$ (здесь $e$ – за­ряд элек­тро­на, $m$ – его мас­са, $\omega$ – час­то­та из­лу­че­ния). При рас­сея­нии на ато­ме элек­трон на­чи­на­ет по­сту­па­тель­ное дви­же­ние с энер­гией, в сред­нем на $\Delta \mathscr E$ боль­шей, а ко­ле­бания рас­ка­чи­ва­ют­ся за­но­во. Ес­ли эф­фек­тив­ная час­то­та столк­но­ве­ний $\nu_m$ срав­ни­ма с час­то­той из­лу­че­ния $\omega$, то элек­трон не ус­пе­ва­ет со­вер­шить мно­го ос­цил­ля­ций за пе­ри­од ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми, и ко­ле­ба­ния рас­ка­чи­ва­ют­ся не пол­но­стью. С учё­том это­го энер­гия хао­тич. дви­же­ния элек­тро­на $\mathscr E$ вы­рас­та­ет за 1 с на ве­ли­чи­ну $$(d\mathscr E/dt)_E=e^2E^2\nu_m/m(\omega^2+\nu_m^2). \quad\tag{1}$$Что­бы за ко­рот­кое вре­мя ла­зер­но­го им­пуль­са (10^–8 с) ро­ди­лись не­об­хо­ди­мые для ОП при­мер­но 40 по­ко­ле­ний элек­тро­нов, ско­рость на­бо­ра энер­гии $(d\mathscr E/dt)_E$ и оп­ре­де­ляю­щее её по­ле $E$ долж­ны быть дос­та­точ­но боль­ши­ми, спо­соб­ны­ми воз­ме­щать по­те­ри энер­гии элек­тро­нов и, воз­мож­но, их уход. Ес­ли $\nu_m^2 \ll\omega^2$, т. е. дав­ле­ние от­но­си­тель­но не­ве­ли­ко $(\nu_m \propto p)$ или час­то­та по­ля вы­со­ка, то по­ро­го­вое по­ле $E_п$, при ко­то­ром элек­трон ус­пе­ва­ет на­брать энер­гию, дос­та­точ­ную, что­бы про­из­ве­сти ио­ни­за­цию, про­пор­цио­наль­но $\omega$ и умень­ша­ет­ся при уве­ли­че­нии $p$.

Ес­ли дав­ле­ние вы­со­кое $(\nu_m^2 \gg \omega^2)$, то по­ро­го­вое по­ле не за­ви­сит от $\omega$ и рас­тёт с рос­том $p$. При $\nu_m=\omega$ по­рог про­боя $E_п$ ми­ни­ма­лен. В слу­ча­ях СВЧ- и ИК-из­лу­че­ния ми­ни­му­мы по­ро­га про­боя ле­жат при бо­лее низ­ких дав­ле­ни­ях, т. к. $p\propto \omega$, и про­би­ваю­щие по­ля $E \propto \omega$ мень­ше. На оп­тич. час­то­тах для про­боя тре­бу­ют­ся бо­лее вы­со­кие по­ля, а ми­ни­мум про­боя $E_п$ при­хо­дит­ся на дав­ле­ние в сот­ни ат­мо­сфер.

По­рог про­боя воз­ду­ха ($\approx$10⁸ Вт/см²) при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии из­лу­че­ни­ем СО₂-ла­зе­ра оп­ре­де­ля­ет­ся при­сут­ст­ви­ем аэ­ро­золь­ных час­тиц, на­грев и ис­па­ре­ние ко­то­рых спо­соб­ст­ву­ют по­яв­ле­нию за­тра­воч­ных элек­тро­нов. В очи­щен­ном воз­ду­хе $S_п \approx$3·10⁹ Вт/см². В силь­но раз­ре­жен­ных га­зах ($p \leq 1$ мм рт. ст.) или в слу­чае чрез­вы­чай­но ко­рот­ких, пи­ко­се­кунд­ных ла­зер­ных им­пуль­сов ла­ви­на не ус­пе­ва­ет раз­вить­ся и ио­ни­за­ция про­ис­хо­дит бла­го­да­ря мно­го­фотон­но­му фо­то­эф­фек­ту.

Фо­ку­си­руя мощ­ный ла­зер­ный им­пульс лин­зой с фо­кус­ным рас­стоя­ни­ем ок. 10 м, по­лу­ча­ют т. н. длин­ную ис­кру – плаз­мен­ный ка­нал дли­ной до де­сят­ков мет­ров (ла­зер­ная ис­кра от ко­рот­ко­фо­кус­ной лин­зы име­ет раз­ме­ры 0,1–1 см). ОП га­за в по­сто­ян­ном или СВЧ-по­ле су­ще­ст­вен­но об­лег­ча­ет­ся в при­сут­ст­вии ин­тен­сив­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния. Это по­зво­ли­ло соз­дать раз­ряд­ни­ки с ла­зер­ным под­жи­гом, а так­же за­да­вать на­прав­ле­ние раз­ви­тия обыч­но­го ис­кро­во­го раз­ря­да вдоль све­то­во­го ка­на­ла. ОП силь­но об­лег­ча­ет­ся, ес­ли про­ис­хо­дит вбли­зи по­верх­но­сти твёр­дых тел; при этом $S_п$ на неск. по­ряд­ков ни­же – т. н. низ­ко­по­ро­го­вый про­бой.

Непрерывный оптический разряд

Рис. 2. Принципиальная схема оптического плазмотрона: 1 – контуры светового канала; 2 – линза; 3 – плазма; F – точка фокуса; u – газовый поток; Р0 – лазерное излуче...

(НОР) – ста­цио­нар­ное под­дер­жа­ние плот­ной рав­но­вес­ной плаз­мы из­лу­че­ни­ем ла­зе­ра не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия (напр., СО₂-ла­зе­ра). Тео­ре­ти­че­ски пред­ска­зан и по­лу­чен в 1970. По срав­не­нию с тра­диц. спо­со­ба­ми под­дер­жа­ния плаз­мы с темп-рой $T \sim$10000 К при по­мо­щи ду­го­во­го, ин­дук­ци­он­но­го или СВЧ-раз­ря­да для под­во­да энер­гии к плаз­ме оп­тич. спо­со­бом не тре­бу­ет­ся кон­ст­рук­тив­ных эле­мен­тов: элек­тро­дов, ин­дук­то­ра, вол­но­во­да. Све­то­вая энер­гия сво­бод­но пе­ре­да­ёт­ся на рас­стоя­ние све­то­вым лу­чом. Это да­ёт воз­мож­ность за­жи­гать плаз­му на рас­стоя­нии от ла­зе­ра и да­же в труд­но­дос­туп­ных мес­тах. Ес­ли про­ду­вать хо­лод­ный газ че­рез го­ря­щий НОР, по­доб­но то­му, как это де­ла­ет­ся в плаз­мо­тро­нах, по­лу­ча­ет­ся оп­тич. плаз­мо­трон (рис. 2). Темп-pa плаз­мы в НОР обыч­но вы­ше, чем в ду­го­вом раз­ря­де, – ок. 20000 К. НОР под­жи­га­ют в ка­ме­ре, на­пол­нен­ной к.-л. га­зом, или в воз­ду­хе, фо­ку­си­руя ла­зер­ный луч лин­зой или зер­ка­лом. Плаз­ма сдви­га­ет­ся от фо­ку­са к ис­точ­ни­ку до се­че­ния све­то­во­го ка­на­ла, где ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния ещё хва­та­ет для ком­пен­са­ции по­терь энер­гии из плаз­мы, без че­го нет ста­цио­нар­но­го го­ре­ния. Что­бы за­жечь НОР, не­об­хо­ди­мо соз­дать на­чаль­ный, по­гло­щаю­щий ла­зер­ное из­лу­че­ние очаг плаз­мы. Про­ще все­го вве­сти в об­ласть фо­ку­са про­во­ло­ку и уб­рать её по­сле за­жи­га­ния раз­ря­да.

Как по­ка­зы­ва­ет тео­рия и под­твер­жда­ет экс­пе­ри­мент, в воз­ду­хе при $p=1$ атм НОР ус­та­нав­ли­ва­ет­ся при по­ро­го­вой мощ­но­сти из­лу­че­ния СО₂-ла­зе­ра $P_п=2$ кВт; темп-ра плаз­мы $T_m \approx$ 17000 К. Ко­эф. по­гло­ще­ния $\mu_\omega(T_m)$ воз­рас­та­ет с уве­ли­че­ни­ем дав­ле­ния $(\propto p^{1,5} \div p^2)$, а $P_п$ умень­ша­ет­ся с рос­том дав­ле­ния; $P_п$ так­же умень­ша­ет­ся в слу­чае тя­жё­лых од­но­атом­ных га­зов, об­ла­даю­щих низ­кой теп­ло­про­вод­но­стью. НОР в ксе­но­не при $p\approx$ 3–4 атм тре­бу­ет мощ­но­сти все­го $P_п \approx$150 Вт. При $p \geq$10 атм умень­ше­ние $P_п$ пре­кра­ща­ет­ся, т. к. на сме­ну по­те­рям энер­гии за счёт те­п­ло­про­вод­но­сти при­хо­дят лу­чи­стые по­те­ри, ко­то­рые рас­тут с по­вы­ше­ни­ем $p$, как и $\mu_\omega$.

Ес­ли ла­зер­ная мощ­ность $P$ пре­вы­ша­ет $P_п$, то плаз­ма силь­нее сдви­га­ет­ся на­встре­чу лу­чу и уве­ли­чи­ва­ет­ся в раз­ме­pax, но темп-pa её не воз­рас­та­ет. Су­ще­ст­во­ва­ние верх­не­го пре­де­ла НОР по мощ­но­сти и по дав­ле­нию свя­за­но с воз­рас­та­ни­ем ро­ли лу­чи­стых по­терь при боль­ших темп-pax и раз­ме­рах плаз­мы. Од­на­ко при фо­ку­си­ро­ва­нии ла­зер­но­го лу­ча ко­рот­ко­фо­кус­ным зер­ка­лом верх­не­го пре­де­ла нет – НОР на­блю­да­ет­ся и при p\geq100 атм.

Бла­го­да­ря вы­со­кой темп-ре и хо­ро­шей ста­биль­но­сти НОР мо­жет слу­жить не­пре­рыв­ным ис­точ­ни­ком из­лу­че­ния очень боль­шой яр­ко­сти. НОР час­то воз­ни­ка­ет око­ло тел при ла­зер­ной свар­ке, рез­ке и др. Он ока­зы­ва­ет не­бла­го­при­ят­ное влия­ние на ла­зер­ную тех­но­ло­гию, эк­ра­ни­руя об­ра­ба­ты­вае­мый ма­те­ри­ал от ла­зер­но­го лу­ча. Во из­бе­жа­ние это­го це­ле­со­об­раз­но об­ду­вать об­ра­ба­ты­вае­мое ме­сто по­то­ком га­за (НОР «сду­ва­ет­ся»).

Распространение оптических разрядов

Плаз­мен­ный фронт О. р. мо­жет дви­гать­ся на­встре­чу ла­зер­но­му из­лу­че­нию вслед­ст­вие ио­ни­за­ции га­за пе­ред фрон­том плаз­мы. На­гре­ва­ясь и ио­ни­зу­ясь, он при­об­ре­та­ет спо­соб­ность по­гло­щать ла­зер­ный луч. Фронт раз­ря­да пе­ре­хо­дит на но­вое ме­сто. Мож­но на­блю­дать и об­ра­щён­ную кар­ти­ну рас­про­стра­не­ния, ха­рак­тер­ную для оп­тич. плаз­мо­тро­на, ко­гда плаз­мен­ное об­ра­зо­ва­ние ло­ка­ли­зо­ва­но в мес­те, 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 по­ряд­ка 100 км/с, и газ за ним на­гре­ва­ет­ся до темп-ры 10⁵–10⁶ К. За­тем от мес­та энер­го­вы­де­ле­ния рас­про­стра­ня­ет­ся ква­зи­сфе­рич. све­тя­щая­ся взрыв­ная вол­на. Эф­фект яв­ля­ет­ся ми­ниа­тюр­ной ко­пи­ей ядер­но­го взры­ва в ат­мо­сфе­ре. 2. Мед­лен­ное рас­про­стра­не­ние плаз­мен­но­го фрон­та в ла­зер­ном лу­че со ско­ро­стя­ми 10–40 м/с обя­за­но про­гре­ва­нию га­за пе­ред фрон­том за счёт те­п­ло­про­вод­но­сти. Этот ме­ха­низм дей­ст­ву­ет пре­им. в оп­тич. плаз­мо­тро­не, где ис­поль­зу­ет­ся не­пре­рыв­ный СО₂-ла­зер. В оп­тич. плаз­мо­тро­не дос­ти­га­ет­ся бо­лее вы­со­кая темп-pa (на 1000–3000 К вы­ше), чем в НОР в не­под­виж­ном га­зе. Про­дув­кой воз­ду­ха сни­ма­ют­ся верх­ние ог­ра­ни­че­ния по мощ­но­сти ла­зе­ра, а так­же по фо­кус­но­му рас­стоя­нию лин­зы $f$ (в не­под­виж­ном воз­ду­хе в сла­бо сфо­ку­си­ро­ван­ном лу­че, при $f\geq$20 см, НОР не го­рит). 3. На­блю­да­ют­ся бы­ст­рые вол­ны ио­ни­за­ции в ла­зер­ном лу­че (со ско­ро­стя­ми 10–100 км/с), но без удар­ной вол­ны. Они вы­зы­ва­ют­ся ио­ни­за­ци­ей га­за пе­ред фрон­том те­п­ло­вым из­лу­че­ни­ем плаз­мы (ра­диа­ци­онные вол­ны). 4. На­блю­да­ют­ся так­же вол­ны про­боя.