Поглощение лазерного излучения в плазме

В зависимости от механизма, регулирующего движение волны поглощения, говорят о разных режимах ее распространения. Их можно разделить на две группы дозвуковые (скорость волны поглощения меньше скорости звука в газе, по которому она распространяется) и сверхзвуковые (скорость волны поглощения больше скорости звука в газе). При радиационном механизме переноса фронта плазмы излучение плазмы ионизует прилегающий слой газа до такой степени, что в нем поглощается заметная часть лазерного излучения. Вместе с волной ионизации движется и зона поглощения лазерного излучения. [c.106]

Если отвлечься от внутренней структуры волны поглощения, то ее можно представить как гидродинамический разрыв, распространяющийся по газу с некоторой скоростью О. Выберем систему координат, в которой разрыв неподвижен. При переходе через разрыв холодный газ в результате поглощения лазерного излучения превращается в плазму. Газ с плотностью рь давлением р1 и удельной внутренней энергией в1 втекает в разрыв со скоростью О, т. е. со скоростью распространения волны по невозмущенному газу. Поглотив на разрыве поток лазерного излучения Р, газ приобретает параметры ра, р2, и скорость относительно разрыва Оа. Общие соотношения, выражающие законы сохранения массы, импульса и энергии при переходе через разрыв, в нашей системе координат имеют вид [c.107]

Верхняя диаграмма II порядка изображает кулоновское столкновение двух частиц, упомянутое ранее, а нижняя диаграмма указывает, что частица вначале поглощает один квант (или взаимодействует с полем), а затем испускает другой квант-волну. Эта диаграмма условно изображает сразу 4 важных процесса рассеяние лазерного луча в плазме (метод диагностики) тормозное излучение электронов при их рассеянии на кулоновских полях ионов поглощение циклотронной волны частицей в магн. поле (циклотронный нагрев П.) циклотронное излучение частиц, закручиваемых магн. полем. [c.598]

В зависимости от условий проведения опытов с поглощением лазерного излучения экспериментально наблюдались и волны детонации, имеющие скорости порядка 100 км/с и более, и волны слабой дефлаграции со скоростями порядка до нескольких м/с. Режимы дефлаграции возникают при умеренных мощностях лазеров, когда температура плазмы имеет порядок 20000 К. Детонация со сжатием газа в ударной волне наблюдается при очень большой мощности, когда температура плазмы имеет порядок сотен тысяч и миллиона градусов. Оценочные расчеты показали, что при еще большей интенсивности излучения, когда достигается температура в миллионы градусов, основным механизмом распространения тепловой волны может стать [c.124]

Резонансное поглощение лазерного излучения при наклонном падении на слой неоднородной плазмы. Продольные плазменные колебания. Еще одним (а для горячей термоядерной плазмы - наиболее важным) механизмом поглощения энергии световой волны, проявляющимся при наклонном падении света на неоднородную плазму, является так называемый механизм резонансного поглощения [5]. Такое поглощение происходит благодаря линейной трансформации поперечных электромагнитных волн в продольные плазменные. При наклонном падении в р-геометрии (т.е. при поляризации волны в плоскости падения) всегда имеется продольная (вдоль градиента концентрации) компонента электрического поля световой волны (рис. 2.7). На определенной глубине, где концентрация плазмы близка к критической для падающего электромагнитного поля, происходит резонансное преобразование энергии лазерного излучения в энергию сильно затухающих собственных плазменных колебаний. [c.84]

Настоящая глава посвящена анализу автомодельной задачи о поршне в предположении, что газ является нетеплопроводным, однако на движение газа влияют нелинейные объемные источники или стоки массы, импульса и энергии. Исследование нестационарного течения газа с учетом объемных источников и стоков различной природы представляет большой интерес. Известно, например, какую роль играют при нагреве и сжатии плотной высокотемпературной плазмы энерговыделение от поглощения лазерного излучения, объемные потери энергии на собственное тепловое излучение, выделение тепла от термоядерных реакций и другие физические эффекты [78]. На сжатие и нагрев плазмы осевым магнитным полем (тета-пинч) существенное влияние оказывают потери массы через торцы плазменного шнура и торцевые потери энергии за счет продольной электронной теплопроводности [19]. Вычислительные эксперименты показали [13, 18], что процессы, происходящие в тета-пинчах, могут быть Удовлетворительно описаны в одномерном приближении при моделировании торцевых потерь объемными стоками. [c.197]

В настоящей работе рассматривается процесс поглощения плазмой промодулированного по интенсивности с СВЧ-частотой лазерного излучения в режиме световой детонации. При таком воздействии характерное время изменения интенсивности лазерного излучения будет существенно меньше характерного времени изменения газодинамических параметров плазмы и их отношение можно рассматривать как малый параметр. Решение задачи ищется в виде разложения по этому малому параметру. При этом получаются результаты, близкие к решению, имеющему место в случае отсутствия модуляции, и отличающиеся от него лишь членами следующего порядка малости. Характерно, что при таком режиме воздействия законы сохранения потоков массы, импульса и энергии, записанные в области, где осуществляется модуляция, требуют учета производных по времени от газодинамических величин, вычисленных на основании соответствующих дифференциальных уравнений. Это приводит к изменению вида условий на скачке уплотнения по отношению к рассмотренной в [ 1 ] ситуации, когда не учитываются быстро осциллирующие процессы. [c.176]

Каждую из компонент плазмы (ионную, электронную или нейтральную) можно характеризовать своей температурой. Температуры ионов (7j) и нейтралов (7) обычно близки друг к другу. Температура электронов Те в плазме оптического пробоя может значительно отличаться от них, так как именно электроны поглощают энергию лазерного излучения. Тем не менее время, за которое поглощенная энергия распределяется равномерно между электронами и ионами, в большинстве случаев мало. [c.103]

В работе [196] приведены результаты применения органического лазера для спектральных исследований плазмы, образуемой высокочастотным дуговым разрядом. Проводились следующие измерения определялось пропускание излучения органического лазера через плазму, исследовался контур линии поглощения и находилось время жизни флуоресцирующего излучения, вызванного поглощением лазерного потока. Из данных измерений, полученных после одного импульса органического лазера, определялась концентрация нейтральных атомов, положительных ионов и электронов. [c.223]

Объяснение этого эффекта состоит в следующем [5]. В месте, где поглощается лазерное излучение, происходит выделение тепла. Нагретая область вследствие действия различных механизмов (формирования при электрическом пробое ударной волны, теплопроводности, радиационного переноса энергии) распространяется по газу. Газ при этом ионизуется и становится способным поглощать идущее со стороны источника излучение. Таким образом, тепловая волна, двигаясь навстречу световому пучку, поддерживается благодаря поглощению переносимой им энергии. Так как лазерное излучение хорошо поглощается плазмой, то заметный теплоподвод происходит лишь в довольно тонком ее слое. Этот процесс обладает очевидным сходством с явлением распространения волн химического горения и детонации. [c.124]

Непрозрачные мишени. Взрывные явления и высокие температуры получаются и при воздействии достаточно интенсивных лазерных лучей на поверхности непрозрачных тел (например, металлов). В этом случае нет порога для поглощения, как в прозрачных телах свет поглощается при любой интенсивности, однако очень высокие температуры возникают, естественно, только при достаточно мощных импульсах (и при фокусировании излучения на поверхность). Явление имеет взрывной характер. Некоторое количество материала мишени превращается в плазму и разлетается с большой начальной скоростью. Если мишень помещена в вакуум, плазма разгоняется до весьма больших скоростей порядка сотен км/сек. Сказанное относится к гигантским лазерным импульсам. Несколько иначе протекает процесс при воздействии на мишени пучков лазеров, работающих в режиме свободной генерации (длительности 10" сек). Для опытов такого рода характерна возможность выделения в мишени очень больших энергий порядка 1000 дж (в отличие от гигантских импульсов, в которых энергия обы>1но не превышает величины 10 дж). [c.265]

Критическая плотность плавмы. Поглощение лазерного излучения в плазме. Передача знергии от области поглощения излучения к плотной плазме. Лазерный термоядерный синтез [c.260]

На рис. 5.1 приведены результаты расчетов скорости волн ионизации для трех режимов распространения разряда 1) режима светодетонационной ударной волны, поддерживаемого поглощением лазерного излучения в зоне неравновесной ионизации 2) режима радиационного переноса зоны пробоя вместе с фронтом предиони-зации прилегающего слоя газа собственным жестким излучением плазмы 3) режима быстрой волны ионизации, который заключается в развитии каскадного процесса на электронах термодиффузии из зоны пробоя [36]. Для конкретных условий определяющим является механизм, обеспечивающий наибольшую скорость фронта плазмы. [c.153]

Оптический пробой, возникающий в прозрачных средах — в газах, плазме, жидкостях, кристаллах и стеклах, представляет собой качественно единое явление, в основе которого лежит процесс превращения прозрачной среды в сильно поглощающую среду под действием мощного лазерного излучения. Явление оптического пробоя в газообразных, жидких и твердых прозрачных средах обсуждается в этой, а также в двух последующих лекциях. Однако прежде чем обратиться к явлению пробоя, кратко рассмотрпм обилие закономерности процесса поглощения лазерного излучения в веществе. [c.190]

Заканчивая краткое изложение структуры лазерпого факела, отметим один важный процесс, который не был рассмотрен и учтен,— это процесс поглощения излучения в плазме. Взаимодействию лазерного излучения с плазмой посвящена следующая лекция, поэтому здесь частную реализацию этого процесса рассматривать не целесообра.-ню. Однако надо иметь в виду, что поглощение лазерного излучения в плазменном факеле играет двоякую роль, нагревая плазму и уменьшая воздействие на поверхность твердого тела. В тех случаях, когда задача сиоднтся к созданию высокотемпературной плазмы, поглощение излучения является основным механизмом нагрева (лекция 22). В тех случаях, когда задача состоит в воздействии па твердое тело, поглощение излучения плазмой уменьшает эффективность воздействия излучения иа поверхность [10]. [c.257]

Дозвуковая радиационная волна возникает в случае, если ударная волна прозрачна для лазерного излучения, поглощаемого в плазме. Перемещение плазменного фронта в газе, движущемся за фронтом ударной волны, происходит благодаря радиационному механизму со скоростью, меньшей местной скорости звука. В результате этого волна поглощения лазерного излучения отстает от уходящей вперед ударной волны, а давление выравнивается по всему нагретому объему газа. Сверхзвуковая радиационная волна обычно приходит на смену светодетонационной при высоких значениях интенсивности лазерного излучения, когда радиационный механизм перемещения зоны поглощения лазерного излучения становится более эффективным по сравнению с гидродинамическим. В этом случае скорость радиационной волны превышает местную скорость звука в плазМе, вследствие чего фронт радиационной волны опережает ударную волну. [c.106]

Рассмотрим установившееся движение плоской ударной волны навстречу лазерному излучению. Интенсивность лазерного излучения Р считаем постоянной. Газ перед волной неподвижен и характеризуется начальной плотностью частиц Л о- Тепловое излучение плазмы ионизирует слой газа перед фронтом светодетонационной волны. При значениях Го и Л о соответствующих светодетонационному режиму, начальная ионизация газа непосредственно перед фронтом равна aeг<10 . Пробег ионизующих квантов не превышает миллиметра, поэтому в нескольких миллиметрах от фронта газ вообще не ионизован. Температура электронного газа перед фронтом Те определяется равновесием между поглощением лазерного излучения и потерями энергии при столкновениях. В светодетонационном режиме для водорода, гелия и аргона величина Те равна Те -н2 эВ. Время от начала фотоионизации очередного слоя газа до прохождения фронта волны через этот слой порядка 10 с. Передачей энергии от электронов к атомам можно пренебречь (из-за большого различия в массах атома и электрона), поэтому для температуры атомов (и ионов) перед фронтом справедлива оценка Т < Те. [c.112]

При воздействии лазерного излучения на среду Л. п. возникает в том случае, если плотность потока излучения q (Вт/см ) превысит нек-рое пороговое значение, зависящее от длины волны лазерного излучения и от параметров среды. Различают три стадии существования Л. п. стадия нач. ионизации и оптич. пробоя вещества, образование собственно плазмы сгадия вза-имоде11Ствпя (поглощения, отражения, рефракг1ии) лазерного излучения с плазмой, нагрева до высоких тели р, увеличение степени ионизации стадия разлета, формирования ионных нотоков, остывания плазмы. [c.552]

В этой лекции из всего многообразия различных аспектов процесса взаимодействия лазерпого излучения с плазмой кратко будет рассмотрено лишь состояние исследований по лазерному термоядерному синтезу. Основное впимапие при этом будет уделено общим вопросам взаимодействия лазерного излучения с плазмой — зависимости характера взаимодействии от диэлектрической проницаемости плазмы, нагреванию плазмы за счет поглощения лазерного излучения, передаче энергии от горячей разреженной плазмы к холодной плотной плазме. Содержапие этой лекции является естественным развитием предыдущих трех лекций, и, в первую очередь, лекции 21, посвященной образованию плазмы при взаимодействии лазерпого излучения с непрозрачными твердыми телами. [c.261]

Высокие динамические давления создаются импульсами излучения с нано- и субнаносекундной длительностью, поэтому все измерения нужно проводить в очень тонких мишенях, толщина которых не превышает нескольких десятков микрометров. При конструировании лазерных мишеней для таких экспериментов [81, 86, 87] учитывается влияние нетепловых электронов, возникающих в зоне резонансного поглощения лазерного излучения. Размер мишени должен быть достаточно мал, либо необходимо использовать специальные экраны для уменьшения роли поверхностных токов из разогретой плазмы. [c.376]

L4. Частота столкновений электронов в плазме. Мы убедились выше, что ключевым параметром плазмы, определяющим обратно тормозное поглощение лазерного излучения, является частота столкновений и, испы-тьшаемых электроном в единицу времени. Эта величина складывается в реальной плазме по меньшей мере из трех слагаемых частоты столкновений электронов с ионами с нейтральными атомами, молекулами и кластерами с другими электронами. Мы увидим ниже, что электрон-электронные столкновения неэффективны с точки зрения нагрева плазмы. Столкновения с атомами, молекулами и кластерами (будем называть их нейтралами ) существенны только для относительно холодной плазмы, где нейтралы составляют заметную долю всех компонент плазмы. Наиболее типичными для плазмы и одновременно наиболее важными с точки зрения ее нагрева являются электрон-ионные столкновения. Оценим их частоту [3,4]. [c.77]

Величина (2.2.5) является наиболее удобной мерой эффективности поглощения лазерного излучения с данной частотой (длиной волны) в плазме с определенной температурой. Характерные зависимости а (Х) для разных значений приведены на рис. 2.5 6. Из (2.2.5) и рисунка ясно видно, что с ростом температуры плазмы резко падает коэффициент поглощения оптического излучения в ней, т.е. фжтически уменьшается плотность энергии, вьщеляющейся в данной точке плазмы за счет поглощения лазерного излучения. Плазма как бы просветляется по мере своего нагрева. Поэтому, когда источником нагрева плазмы служит само проходящее по [c.82]

Сигнал второй гармоники регистрировался с помощью быстродействующего фотоумножителя и мог наблюдаться на экране запоминающего осциллографа. Результаты эксперимента показаны на рис. 4.2. Видно, что сигнал второй гармоники исчезает (рис. 4.2г), как только на поверхности кристалла возникает расплав, регистрируемый также по появлению фазы высокого отражения (рис. 4.26), и вновь появляется при рекристаллизации поверхности, когда отражательная способность поверхности также принимает величину, типичную для кристаллического GaAs. Изменение коэффициента линейного отражения можно было бы приписать электронно-дырочной плазме, созданной в приповерхностном слое полупроводника при поглощении лазерного излучения. Однако наблюдаемое при этом изменение интенсивности второй гармоники однозначно указывает на структурный фазовый переход, т.е. плавление. [c.231]

Материалами оболочки-аблятора лазерных термоядерных мишеней прямого облучения служат вещества легких элементов, такие как различного рода пластики, бериллий и другие. Это связано с необходимостью минимизировать энергию собственного излучения плазмы, с одной стороны, для того, чтобы уменьшить потери энергии в короне, которые приводят к уменьшению абляционного давления, а с другой стороны — предотвратить предварительный прогрев сжимаемой части мишени. В результате плазма в области поглощения лазерного излучения оказывается полностью ионизованной, отношение A/Z близко к 2, и при воздействии коротковолнового лазерного излучения с Л = = 1,06-0,35 мкм, значение критической плотности находится в пределах per = 3,6 10 -3,3 10 2 г-см . Далее, согласно современным теоретическим и экспериментальным результатам, устойчивое сжатие мишени при облучении лазерными пучками возможно для не слишком тонких оболочек с достаточно низким аспектным отношением Ra/Aa < <50 [1]. Таким образом, параметр ускорения а < 2, 5, и поэтому в указанных условиях увеличение параметра q при увеличении аспектного отношения, увеличении отношения AjZ или уменьшении начальной плотности вещества аблятора ведет к увеличению гидродинамической эффективности. Для значений q = 0,5-1 гидродинамическая эффективность составляет 0,2-0,3. [c.37]

Одно из направлений решения такой задачи состоит в исследовании возможностей низкоаспектных мишеней прямого облучения. Одним из наиболее подходящих типов веществ, которые могут быть использованы в качестве вещества оболочки-аблятора прямых мишеней лазерного термоядерного синтеза, являются содержащие бериллий материалы. Преимущества этих материалов состоят в их относительно высокой плотности для элементов с малым зарядом ядра и низкой сжимаемостью. Такое сочетание свойств обеспечивает хорошие гидродинамические характеристики поршня, сжимающего термоядерное вещество, при высокой эффективности поглощения лазерного излучения и малых потерях энергии на собственное излучение плазмы. При горении [c.43]

Как только плазма возникла, в ней начинает поглощаться лазерное излучение (обычно этому соответствуют температуры 5000-4- 12000 К). Поглощение в плазме обусловлено обратным тормозным эффектом, при котором свободный электрон погло щает фотон. Электрон переходит в более высокое энергетическое состояние непрерывного спектра. Для сохранения количества движения этот процесс должен происходить в поле иона,, атома или молекулы. На начальных стадиях пробоя число ионов мало, а температура газа остается низкой. Взаимодействие электрона с излучением происходит в этом случае в поле нейтрального атома или молекулы. Коэффициент поглощения связанный с обратным тормозным эффектом в системе, состоящей из нейтрального атома и свободного электрона, вычислен, например, для нейтрального водорода (в единицах СГС) [29] [c.103]

Таким образом, процесс распространения волны поглощения вследствие теплопроводности аналогичен процессам медленного горения и детонации. Необходимо, однако, помнить, что при химическом горении в данной массе вещества может выделиться лищь ограниченное количество энергии, определяемое теплотворной спосоОностью горючего. В то же время в волне поглощения энерговыделение растет с ростом интенсивности лазерного излучения. Кроме того, горючее вещество может прореагировать только один раз, а плазма способна поглош ать энергию излучения при соответствующем теплоотводе сколь угодно долго. [c.105]

С ростом интенсивности лазерного излучения Ро возрастают температура и степень ионизации плазмы в зоне поглощения. Одновременно возрастает и тепловой поток из плазмы в сторону разрыва. Перед разрывом образуется зона прогрева. При равновесной температуре плазмы за фронтом светодетонационной волны свыше 10 эВ возникает отрыв электронной температуры Те перед фронтом волны от температуры Т холодного газа. [c.114]

Активная среда Р. л.— высокононизиров. плазма с электронной темп-рой от неск. сотен эВ до неск. кэВ, создаваемая при облучении мишени (напр., тонкой фольги из селена и иттрия) мощными лазерами видимого и ИК-диапазонов. Плазменное образование имеет длину в неск, см (0,5—5 см) и поперечный размер 0,01 — 0,1 см. Плазма создаётся, как правило, фокусировкой излучения либо 2-й гармоники N<1 УАО-лазера (см. Твердотельным лазер), либо излучения СОг-лазера, имеющих энергию излучения 1 кДж и длительность импульса генерации 0,1 — 10 нс. Энергия, необходимая для создания иона заданной кратности, и плотность атомов активного элемента в мишени определяют плотность энергии лазерного излучения накачки, необходимую для создания активной среды. Пороговые условия генерации Р. л. определяют мин. значения плотности ионов в плазме. Если длина поглощения генерируемого рентг. излучения больше длины активной области Ь кристалла, то пороговое условие генерации имеет вид [c.365]

Оптический пробой прозрачных сред также резко изменяет поглощение излучения. Отличие от рассмотренного выше процесса возбуждения гармоник состоит в том, что изменение поглощения обусловлено изменением самой среды. В исходно нейтральной среде под действием лазерного излучения образуется плотная плазма, сильно поглощающая излучение, падающее на среду. Плазма образуется в результате ионизации исходно нейтральной среды. Из общей теории взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой [4] известно, что поглощение излучеиия в плазме зависит от соотношения частоты излучения и и плазменной частоты При и > плазма прозрачна для излучения, прп и < и л плазма непрозрачна, излучение отражается от плазмы. Соответственно поглощение излучения максимально при (О (1) л. Плазменная частота зависит от плотности п, свободных электронов в плазме (иплосгеУ ). По мере увеличения степени ионизации среды под действием лазерного излучения с частотой и увеличивается ге и соответственно увеличивается При достижении критической плотности ге, достигается равенство < >,1п (1), плазма становится непрозрачной для излучения, излучение поглощается плазмой. [c.192]

Резюмируй результаты рассмотрения процесса передачи энергии от области эффективного поглощения излучения к плотной плазме, отметим, что обычно доминирует злектроннан теплопроводность, приводищая к возникновению и движению в глубь плазмы тепловой волны и волны разрежения. Поглощенная энергия лазерного излучения расходуется на увеличение тепловой энергии поглощающего слоя, на увеличение кинетической энергии расширяющейся плазмы с плотностью п, < л р, а также на увеличение тепловой и кинетической энергии плотной плазмы с [c.267]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...