Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 3, стр. 436-438

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время значительное внимание уделяется исследованию взаимодействия оптически прозрачных сред с ультракороткими (фемтосекундными) импульсами, в результате которого начинает развиваться филаментация. Явление филаментации состоит в пространственной и временной локализации энергии в мощном лазерном фемтосекундном импульсе. Благодаря высокой интенсивности таких импульсов в среде возникают нелинейные эффекты. Филаментация фемтосекундного лазерного импульса сопровождается множеством различных процессов, например, формируются плазменные каналы, происходит генерация излучения суперконтинуума (т. н. “белого света”) и конической эмиссии.

Одним из практических приложений явления филаментации является прецизионная обработка материалов. Актуальным является вопрос изучения методов управления пространственным распределением филаментов, что позволит получать упорядоченные структуры при обработке материалов в режиме филаментации. Для увеличения эффективности получения наночастиц при абляции с поверхности под воздействием лазерного излучения используется энергия транспортируемая по электрической дуге [1–4]. При этом эффективная коррекция параметров электрической дуги может быть осуществлена с помощью оптического разряда (ОР). Для оптимизации ОР необходимо, в частности знать характеристики плазмы разряда, такие, как концентрация электронов, температура плазмы, а также ее проводимость. Поэтому измерения электронной температуры лазерно-индуцированных плазменных каналов представляют практический интерес. В работе для измерения температуры использовали два подхода: измерение по относительной интенсивности спектральных линий и прямые измерения при помощи микропирометра.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Спектральная диагностика занимает особое место среди других методов исследования плазмы, так как она обеспечивает бесконтактные и быстрые измерения. Для измерения электронной температуры лазерно-индуцированных плазменных каналов в средах аргона и азота при различных давлениях по относительным интенсивностям спектральных линий использовали установку, схема которой представлена на рис. 1. Лазерное излучение 2 фемтосекундной лазерной системы фокусировали во внутренний измерительной емкости 4 с помощью фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 150 мм. В фокальной плоскости линзы формируется оптический пробой. Геометрические характеристики и яркость свечения регистрировали CCD-камерой. Емкость заполняли газом из баллона, давления контролировали при помощи редуктора, оснащенного запорной и измерительной аппаратурой. Спектр выходного излучения измеряли при помощи спектрометра 7. Экспериментальны данные со спектрометра и CCD-камеры в процессе проведения измерений сохранялись на персональном компьютере.

В результате измерений были получены спектры излучения плазмы при различных значениях давления. Время экспозиции составило 2 с. Длительное время экспозиции необходимо для накопления и усреднения регистрируемого сигнала. Параметры съемки спектров были аналогичными для всех проведенных экспериментов.

Расчет электронной температуры проводили по методике, описанной в [5]. Формула для расчета электронной температуры имеет вид:

где λ₁ и λ₂ – длина волны спектральной линии (для расчетов удобно использовать наиболее разнесенные пары линий, например, для аргона использовали линии 415.85 и 852.14 нм, для азота – 746.83 и 493.50 нм), I – интенсивности спектральных линий, измеренные спектрометром, ΔЕ – разность энергий возбуждения исследуемых линий, f – сила осциллятора, g – статистический вес уровня.

Для измерения электронной температуры лазерно-индуцированных плазменных каналов в средах аргона и азота при различных давлениях методом фотопирометрии использовали схему, показанную на рис. 2. В качестве источника использовали импульсную лазерную систему 1, со следующими характеристиками: длительность импульса – 280 фс, частота следования импульсов – 10 кГц, энергия в импульсе – 150 мкДж, длина волны излучения – 1030 нм. Лазерное излучение фокусировали в измерительную емкость плоско-выпуклой линзой с фокусным расстоянием 150 мм. Излучение лазерно-индуцированной плазмы 5 с помощью линзы собирали в коллимированый пучок, который направляли через дихроичное зеркало в объектив микропирометра. Дихроичное зеркало использовали для отсечения излучения основной длины волны, которое могло повредить фотодетектор. Показания фотодетектора поступали на компьютер. Данные обрабатывали про помощи специализированного программного обеспечения.

С помощью данной схемы была также измерена степень поглощения лазерного излучения плазмой (степень черноты). Лазерное излучение пробного полупроводникового лазера 12 с длиной волны 650 нм фокусировали плоско-выпуклой линзой с фокусным расстоянием 150 мм на область лазерно-индуцированной плазмы 5. Далее излучения попадало на измерительную головку фотоприемника. Фиксировали значения мощности при условии когда через лазерную плазму проходит основное фемтосекундное и пробное излучение, и когда проходит только излучение пробного лазера.

При различном давлении положение плазменного канала меняется, что, вероятно, связано с флуктуациями плотности. При измерении коэффициента поглощения важным фактором является условие прохождения пробного излучения строго через плазменный канал. Для точного позиционирования и лазера был использован прецизионная трехкоординатная подвижка.

Для измерения температуры лазерно-индуцированной плазмы использовали высокотемпературный микропирометр МП-1001. Прибор позволяет измерять яркостную температуру в диапазоне от 1500 до 5000 К. Пересчет яркостной температуры Т_я в истинное значение температуры Т_ист выполняли в соответствии с формулой [6, 7]:

где λ = 650 нм опорная (калиброванная) длина воны, С₂ = 0.014388 м · К – вторая постоянная Планка, α – степень черноты (коэффициент поглощения), измеренная по вышеописанной методике.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

На рис. 3 представлены графики зависимости температуры плазменных каналов от величины давления, полученные с использованием двух различных методов (рис. 3а – в среде азота; рис. 3б – в среде аргона). Наблюдается увеличение значений температуры при повышении давления. Значения температуры, полученные двумя различными способами, хорошо соотносстся друг с другом. Разница в значениях не превышает 10% по абсолютной величине. Температура плазмы, измеренная обоими способами, составляет ~4000–5000 К в зависимости от давления. Для азота в указанном диапазоне температур наблюдается ее монотонное возрастание при увеличении давления до 15 бар, а для аргона имеется максимум при давлениях порядка 7–9 бар.

Как показывают оценки, характерное время теплообмена электронов с тяжелыми частицами составляет доли микросекунды (быстрая релаксация), а межимпульсный период – 100 мкс, таким образом, определенная за время измерения электронная температура соответствует газовой температуре. Другими словами, реализуется локальное термодинамическое равновесие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерена электронная температура плазмы, индуцированной фемтосекундным лазерным излучением в среде аргона и азота, при разных значениях давления двумя методами: по относительной интенсивности спектральных линий, и с использованием микропирометра. Полученные результаты могут быть востребованы при расчете таких параметров плазмы, как концентрация электронов и частота столкновений между атомами и молекулами.