Лазер и сопутствующие его явления

Световой пробой [5,6] (оптический пробой, лазерная искра) - переход вещества в состояние сильно ионизованного горячего газа (плазмы) под действием электромагнитного поля оптической частоты. Световой пробой аналогичен СВЧ — пробою. Световой пробой впервые наблюдался в 1963 при фокусировке в воздухе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина. При световом пробое в фокусе линзы (рис. 4.) возникает искра, эффект воспринимается наблюдателем как яркая вспышка, сопровождаемая сильным звуком.

Необходимые для достижения порога пробоя газов значения интенсивности светового потока в луче лазера 10⁹-10¹¹ вт/см², что соответствует напряжённости электрического поля 10⁶-10⁷ в/см. Длительность вспышки в 10 и более раз превосходит длительность лазерного импульса (Л.и.) (30 нсек).

Образование лазерной искры можно представить себе состоящим из 2 стадий: 1) образование в фокусе линзы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное поглощение Л.и.; 2) распространение плазмы вдоль луча в области фокуса. Механизм образования затравочной плазмы аналогичен высокочастотному пробою газов. Отсюда термин - оптический пробой газа.

Для пикосекундных импульсов Л.и. (I~10¹³-10¹⁴ вт/см²) образование затравочной плазмы обусловлено также многофотонной ионизацией. Нагревание затравочной плазмы Л.и. и её распространение вдоль луча (навстречу лучу) обусловлено несколькими процессами, одним из которых является распространение от затравочной плазмы сильной ударной волны. Ударная волна за своим фронтом нагревает и ионизирует газ, что, в свою очередь, приводит к поглощению Л.и., т. е. к поддержанию самой ударной волны и плазмы вдоль луча (световая детонация). В др. направлениях ударная волна быстро затухает.

Лазерную искру можно наблюдать и при значительно меньших интенсивностях, если затравочная поглощающая плазма в фокусе линзы создаётся заранее. Например, в воздухе при атмосферном давлении лазерная искра развивается из электроразрядной затравочной плазмы, при интенсивности Л. и. ~ 10⁷ вт/см². При относительно малой интенсивности Л.и. распространение плазмы обусловлено теплопроводностью, в результате чего скорость распространения плазмы - дозвуковая. Этот процесс аналогичен медленному горению, отсюда термин "лазерная искра в режиме медленного горения".

Стационарное поддержание лазерной искры было осуществлено в различных газах с помощью непрерывного СО₂-лазера мощностью в несколько сотен вт. Затравочная плазма создавалась импульсным СО₂-лазером.

Явление, которое может оказаться пригодным – различные способы компенсации дифракционной расходимости лазерного пучка.

Неустранимую в принципе дифракционную расходимость можно компенсировать, применяя для фокусировки излучение с коническим волновым фронтом, сходящимся к оси под углом, равным углу расходимости γ~λ/ d (λ–длина волны излучения, d –диаметр пучка). Образующийся при этом волновой пучок имеет протяженность L» D /2γ (D –диаметр конуса), которая не зависит от λ и на много порядков превосходит его диаметр (L / d ~ D /λ).

Рис. 5. Фрагменты фотографий световых пробоев различных сред  

Ожидалось, что в таком пучке должна возникать сплошная нитевидная лазерная искра. Однако в искре появлялись сильные структурные неоднородности (см. рис. 5). В работе [7] проанализированы условия их формирования, проведена классификация всех обнаруженных структурных конфигураций и предложен механизм их образования.

(а 1, а 2) – N₂O при 0.27 и 0.67 атм, τ≈100 пс, E =0.6 Дж, γ≈18°;

(б) – Ar 0.2 атм, 0.8 нс, 10 Дж,1°;

(с) – воздух 1 атм, 0.8 нс, 17 Дж, 2.5°;

( d ) – фрагмент кадра (с);

( e ) – воздух 1 атм, 20 нс, 20 Дж, 5°;

( f ) – воздух 1 атм, 40 нс, 70 Дж, 7.5°;

(g) – аргон 1 атм, 40 нс, 70 Дж, 7.5°.

Итак, нитевидную лазерную искру можно получить, что в дальнейшем очень сильно может повлиять на улучшение качества лучевого клинка меча и упростить изготовление фокусирующего кристалла.

Ещё одним способом создания нитевидной лазерной искры является применение явления самофокусировки [8]. Оно основано на использовании нелинейных свойств среды, возникающих при сильном её нагревании. Излучатель большой мощности нагревает среду, и она расширяется (особенно когда жидкая или газообразная). При тепловом расширении, естественно, падает плотность, а значит, и коэффициент преломления. Казалось, вместо самофокусировки получается саморасфокусировка! Правда, если средой служит плазма, ее разрежение приведет к увеличению показателя преломления (так утверждают в источнике [8]). А в лазерной искре она как раз и образуется.

Теперь обратим внимание на стрикционные силы, возникающие при взаимодействии пространственно неоднородного электромагнитного поля (а таково оно в сечении лазерного луча) с частицами среды. Они тянут частицы в сторону большего поля, то есть внутрь луча, если это частицы диэлектрика, и, наоборот, выталкивают их — если это частицы плазмы. Значит, в обоих случаях открывается дорога к желаемому — увеличению показателя преломления среды (ведь он возрастает с уплотнением диэлектриков и разрежением плазмы).

n₃

б)

n₂

а)

n₁

n₂

n₁

Без углубления в математику этот пример можно проиллюстрировать более наглядно. Всем известно, что при прохождении из оптически менее плотной среды в более плотную луч пригибается к нормали (n₁<n₂ рис.6,а). Этим обусловлено нелинейное прохождение световых лучей через земную атмосферу – в более высоких слоях она менее плотная (n₁<n₂<n₃ рис.6,б). Такое отклонение и будет противодействовать дифракции, которая обычно стремится отклонить луч в направлении от оси.

В результате экспериментов и расчётов [8] были получены следующие закономерности. Диаметр луча не влияет на самофокусировку, зато очень много зависит от длины волны. Самофокусировки легче добиться при малых длинах волн и, само собой, в средах с резко выраженной нелинейностью. При увеличении мощности лазера фокус будет перемещаться к нему все ближе. Скорость такого движения может быть огромной, даже сверхсветовой, в чем тоже легко убедиться с помощью расчётов. Разумеется, это не парадокс, потому что движется не материальное тело, а только место встречи световых лучей. Поскольку размеры фокуса сравнимы с длиной волны, в столь ничтожном объеме плотность потока мощности возрастет в сотни миллионов раз, а значит, молекулы и атомы среды разрушатся, образуется плазма. Причём её образование гораздо более интенсивно, чем при простом сужении лазерного пучка и разогревании среды в этом месте.

При гауссовом профиле интенсивности пучка формируется несколько фокусов. При увеличении мощности каждое новое ее приращение на величину Р_к формирует свой, отдельный фокус, отстоящий от излучающей поверхности, так как лучи приходят от все более дальней периферии пучка. Отсюда ясно, что число фокусов К=Р/Р_к, (рис. 7). При платообразном распределении интенсивности наблюдается самофокусировка в одну точку.

Лазерное излучение (действие на вещество) [9]. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения λ= 1,06 мкм и в газовых CO₂ - лазерах с λ = 10,6 мкм (см. табл.1).

Табл. 1. Характеристики некоторых типов лазеров

Лазер	Длительность импульса, сек	Энергия импульса, дж	Мощность, вт	Максимальная плотность потока излучения, вт/см^2
CO2 Nd + стекло CO2 Nd + стекло Nd + стекло	Непрерывный 10^-3 6 × 10^-8 10^-9 (0,3) 10^-11	- 10^4 3 × 10^2 3 × 10^2 10-20	10^3 10^7 5 × 10^19 3 × 10^11 10^12-10^13	до 10^7 до 10^7-10^11 10^13 10^16 10^15-10^16

Облучение твёрдых мишеней [9]. При облучении практически всех твёрдых мишеней миллисекундными импульсами Л. и. с плотностью потока излучения 10⁷-10⁹ вт/см² в потоке пара от испаряющеися мишени образуется плазма. Температура плазмы 10⁴-10⁵ К. При фокусировке на твёрдую мишень наносекундных лазерных импульсов с плотностью потока излучения 10¹²-10¹⁴ вт/см² поглощающий слой вещества разогревается так сильно, что сразу превращается в плазму. В этом случае уже нельзя говорить об испарении мишени, границе раздела фаз и т.п. Энергия Л. и. расходуется на нагревание плазмы и продвижение фронта разрушения и ионизации в глубь мишени. Температура плазмы оказывается столь высокой, что в ней образуются многозарядные ионы, в частности Са¹⁶⁺ и др. Образование ионов такой высокой кратности ионизации до недавнего времени наблюдалось только в излучении солнечной короны. Образование ионов с почти ободранной электронной оболочкой интересно также с точки зрения возможности осуществления в ускорителях многозарядных ионов ядерных реакций на тяжёлых ядрах.

Термоядерный синтез [9]. С помощью Л. и. возможно осуществление реакции термоядерного синтеза. Для этого необходимо образование чрезвычайно плотной и горячей плазмы с температурой, в случае синтеза ядер дейтерия, ~ 10⁸ К. Возникающая вблизи фокуса плазма разлетается со скоростью ~ 10⁸ см/сек. Уже достигнута плотность мощности лазерного излучения 10²⁰-10²¹ Вт/см². При такой интенсивности напряжённость электрического поля составляет 10¹² В/см, что на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода.

Лазерное излучение в медицине [9]. Медицинское применение Л. и. обусловлено как термическими, так и нетермическими эффектами. В хирургии Л. и. используют в качестве "светового скальпеля". Его преимущества - стерильность и бескровность операции, а также возможность варьирования ширины разреза. Бескровность операции связана с коагуляцией белковых молекул и закупоркой сосудов по ходу луча. Этот эффект отмечается даже при операциях на таких органах, как печень, селезёнка, почки и др. По мнению ряда исследователей, послеоперационное заживление при лазерной хирургии идёт скорее, чем после применения электрокоагуляторов. В качестве "светового скальпеля" наиболее широко применяют ИК СО₂-лазеры с мощностью от нескольких вт до нескольких десятков вт.

Вблизи поверхности многих веществ идёт интенсификация светового пробоя. В работе [10] изучались особенности лазерной искры при атмосферном давлении вблизи поверхностей различных материалов. Импульсы неодимового лазера на длине волны 1.06 мкм длительностью 8 нс, следовали через фокусирующий объектив с частотой 30 Гц. Изменяя плотность мощности излучения, можно было получить неустойчивый пробой воздуха в области фокуса лазерного луча. В случае приближения фокальной плоскости объектива к поверхности диэлектрика характер лазерной искры изменялся: возникал стабильный разряд, идущий из области фокусировки к поверхности вещества. Причиной наблюдаемой стабилизации лазерной искры, видимо, является ее переход в стадию стационарного дугового разряда.

При пробивании отверстия лазерным импульсом длительностью 10^-4– 10^-3 с, энергия в 1 Дж сфокусированная в световое пятно диаметром 0,3 мм достигает мощности 106 – 107 вт\см². Лазерный луч СО², мощностью 3 КВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 3,5 метра в минуту.

Плазма

Плазма [10] - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1, 78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков.

Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а – доли процента), частично ионизованной (а – несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме.

Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной.

Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу).

В настоящее время в медицинской практике используются плазменные хирургические установки, позволяющие осуществлять хирургическое вмешательство путем воздействия на биологическую ткань потоком плазмы, генерируемой миниатюрными плазмотронами [11,12]. Диаметр струи около миллиметра, длина ее 3-20 миллиметров. Плазма легко рассекает мягкие ткани, одновременно заваривает стенки сосудов, идеально дезинфицирует операционное поле. Температура плазмы 5000-7000°С. Такие плазменные генераторы позволяют осуществлять только " жесткое " воздействие, разрушающее биологические ткани. Тепловые эффекты в биотканях соответствуют следующим диапазонам температур [13].

Отсутствие необратимых изменений 37 - 43 °С
Разделение ткани (отёк) 45 - 48 °С
Сваривание ткани, денатурация белков 45 - 60 °С
Коагуляция, некроз, обезвоживание 60 - 100 °С
Испарение тканевой воды 100 °С
Пиролиз, выгорание 100 - 300 °С
Карбодизация твёрдых компонентов ткани > 200 °С
Испарение твёрдых компонентов ткани > 300 °С

В Петрозаводском государственном университете разработан ряд плазменных устройств, способных генерировать низкотемтературную плазму. Одним из таких устройств является микроплазмотрон, позволяющий получать плазму со среднемассовой температурой 40-80°С. Плазмообразующим вещество служит вода. Расход воды составляет 25-50 мл/ч. Питание микроплазмотрона осуществляется от сети 220 В. Потребляемая мощность 20 Вт. При диаметре генерируемого плазменного потока 3-5 мм, длине 5-8 мм плотность мощности потока составляет 0,4-0,8 Вт/см².

Магнитное поле вносит в движение частиц плазмы [14] винтовой порядок. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц – циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют – циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют – силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать “магнитной стенкой”, толкать “магнитным поршнем”. Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике.

А нельзя ли для удержания плазмы в магнитном поле использовать магнитное поле самой плазмы? Если в плазме есть какое-то упорядоченное движение заряженных частиц в одну сторону, то это означает, что плазма представляет собой гибкий шнур с электрическим током, так как, по определению, электрический ток – это и есть упорядоченное движение заряженных частиц.

Ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого опоясывают провод, по которому этот ток проходит. Одним из важных свойств силовых линий является их стремление идти по кратчайшему пути, их упругость, максвелловское натяжение, приводящее к тому, что силовые линии стремятся сжать опоясываемый ими проводник с током. В случае обычных медных проводов упругость силовых линий не может привести к уменьшению диаметра проводов, поскольку кристаллическую решетку твердых тел деформировать довольно трудно. Если ток течет по плазменному шнуру, то упругость силовых линий, охватывающих этот шнур, приводит к тому, что шнур уменьшается в сечении и отходит от стенок камеры. Это явление, получившее название пинч-эффекта, казалось бы, полностью решает задачу магнитной термоизоляции плазмы: стоит «организовать» в плазме ток, как она сама отойдет от его стенок и сожмется в тонкий шнур в середине сосуда.

Однако здесь начинает действовать свойство заряженных частиц (и, следовательно, плазмы в целом) выталкиваться в область с более слабым полем, туда, где меньше силовых линий, где они расположены не так густо. Это свойство приводит к тому, что малейший изгиб или местное сужение плазменного шнура в конце концов приводит к аварийному процессу. Пусть, например, в силу каких-либо случайных обстоятельств в шнуре образовался небольшой изгиб. Тогда на выпуклой части изогнутого шнура силовые линии магнитного поля становятся более редкими, а на вогнутой – более густыми. Плазменный шнур начинает выталкиваться из той области, где силовые линии расположены гуще, наружу, к стенкам сосуда, изгиб плазменного шнура увеличивается, и плазма в конце концов попадает на стенки камеры. Это происходит так же, как в сжатой длинной пружине, которая, как известно, неустойчива к поперечным деформациям. Точно таким же образом местное сужение плазменного шнура приводит к еще большему его сужению, а затем – к разрыву.

Бороться с этими явлениями можно при помощи магнитного поля. Если вдоль плазменного шнура проходят силовые линии магнитного поля, создаваемого каким-то посторонним источником, то упругость этих линий приведет к тому, что любой изгиб, случайно возникший у шнура, будет ликвидирован так же, как и случайное сужение шнура. Примерно то же самое произойдет, если внутри сжатой пружины пропустить растянутые упругие жгуты.

Чтобы возвращение плазмы в устойчивое состояние проходило более эффективно, необходимо создать в ней очень сильное продольное магнитное поле.

Стабилизация плазмы продольным полем становится особенно эффективной, когда удается сделать так, чтобы продольное поле существовало лишь в плазме, а вне ее, т.е. в пространстве между стенками камеры и шнуром, отсутствовало. Это можно осуществить в том случае, когда сжимающийся при прохождении сильного тока плазменный шнур увлекает за собой все силовые линии продольного поля, созданного в полном объеме камеры. Отрываясь от стенок камеры, плазменный шнур увлекает за собой все магнитные силовые линии, ранее существовавшие в камере, создавая между стенками камеры и шнуром магнитный вакуум в отношении продольного поля.

Выяснилось, что стабилизирующее продольное поле, вопреки первоначальным прогнозам, было мало для того, чтобы сделать плазменный шнур устойчивым к разного рода случайным возмущениям. Продольное магнитное поле по отношению к собственному полю плазмы было слишком мало. Упругие жгуты внутри пружины оказались слабыми для удержания ее от аварийных изгибов.

Чтобы обойти эту трудность, необходимо было резко увеличить продольное поле и ослабить собственное поле шнура. Эта задача была решена советскими учеными на установках типа токамак. Для создания сильного продольного поля в системе использованы мощные соленоиды, которые приходилось питать от мощных импульсных генераторов, используемых обычно для возбуждения синхротронов. Хотя магнитное поле, создаваемое такими системами, импульсное (продолжительность импульса примерно 0,2 с), оно в сотни раз превосходит по длительности время разряда и для него является практически постоянным. Магнитное поле установок типа токамак достигает 3,5...5 Тл, т.е. в сотни раз превышает поле установок типа «Альфа».

Каким будет термоядерный генератор? Магнитная ловушка, по-видимому, получится весьма большой. Только тогда мощность, потребляемая ею, будет невелика по сравнению с мощностью генератора. Это происходит потому, что мощность генератора находится в кубической зависимости от линейного размера системы, а потребляемая обмотками мощность пропорциональна линейному размеру.

Исходя из соображений, касающихся мощности, потребляемой магнитной ловушкой, можно считать, что термоядерный генератор должен быть никак не меньше нескольких метров в диаметре. Только в этом случае полезная мощность генератора будет больше мощности, потребляемой магнитной системой.

Однако, если удастся создать громадные сверхпроводящие обмотки, что весьма реально, КПД генераторов резко возрастет.

Дата добавления: 2015-07-17