Optical discharges sustained by near-ir band laser radiation
This work represents newly obtained effects specific for continuous optical discharges (COD) sustained by solid-state lasers of near-IR band (0.96÷1.1 um), based on recent experiments on sustaining COD in high pressure rare gases being carried out last years in IPMech. Threshold laser power required for sustaining COD by near-IR lasers both in high pressure xenon and argon appeared to be considerably lower than it could be expected. This result demonstrates the important difference in plasma absorption mechanisms of mid- and near-IR laser radiation. Detailed investigations of laser beam refraction mechanisms have also revealed substantial differences of a “short wavelength” COD behavior, leading under certain condition to plasma bistability not observed in experiments with COD sustained by CO2 lasers. As a result of the present studies, threshold power levels and beam focusing conditions were defined to ensure stable COD burning and high spectral brightness of COD plasma. Some explanations were proposed for the phenomena observed.
В данной работе на основе проведенных в последние годы в ИПМех РАН экспериментов по поддержанию непрерывных оптических разрядов (НОР) в инертных газах высокого давления твердотельными лазерами, излучающими в ближнем ИК-диапазоне (0.96÷1.1 мкм), представлены новые явления, характерные для поддержания НОР излучением данного диапазона. Пороговые мощности поддержания НОР в ксеноне и аргоне высокого давления оказались неожиданно низкими, что свидетельствует о принципиальном различии механизмов поглощения лазерного излучения в ближнем и среднем (9.4÷10.6 мкм) ИК-диапазонах. Исследование механизмов рефракции также показало существенные отличия «коротковолнового» НОР, приводящие при определенных условиях к бистабильности плазмы, не наблюдавшейся в экспериментах с НОР, поддерживаемых СО2-лазером. В результате проведенных исследований были определены уровни пороговых мощностей поддержания НОР излучением в диапазоне 1 мкм в ксеноне и аргоне при высоком давлении, а также найдены условия фокусировки лазерного излучения, обеспечивающие стабильное горение и высокую спектральную яркость плазмы. Предложены объяснения наблюдаемых явлений.
1. Райзер Ю.П. О возможности создания светового плазмотрона и необходимой для этого мощности. // Письма в ЖЭТФ, 1970, Т. 11, В. 3, С. 195-199. 2. Генералов Н.А., Зимаков В.П., Козлов Г.И., Масюков В.А., Райзер Ю.П. Непрерывно горящий оптический разряд // Письма в ЖЭТФ, 1970, Т. 11, В. 9, С. 447-449. 3. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов // МГТУ им. Баумана, Москва, 2006. 640 с. 4. Keefer D.R. Laser Sustained Plasmas. Chapter 4 // Laser-induced plasmas and applications, Radziemski, L.J., Cremers, D.A., Eds. Marcel Dekker, New York, 1989, P. 169-206. 5. Smith D.K. et al. Laser driven light source // US patent # 7,435,982, 2008, patent application US 2011/0181191 Al, 2011. 6. Промышленные волоконные иттербиевые лазеры НТО «ИРЭ-Полюс». Технические характеристики // http://www.ntoire-polus.ru/products_powerful.html. 7. Райзер Ю. П. Лазерная искра и распространение разрядов // М.:Наука, 1974. 308 c. 8. Flesch P. Light and light sources: High intensity discharge lamps / Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2006. 344 p. 9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда / Долгопрудный, МО, изд. Интеллект, 2009. 736 c. 10. Биберман Л.М., Норман Г.Э. Непрерывные спектры атомарных газов // УФН, 1967, Т. 91, В. 2, С. 193-246. 11. Янков В.В. О распределении энергии в непрерывном спектре поглощения ксенона // Оптика и спектроскопия, 1963, Т. 14, №1, С. 29-34. 12. Gidalevich E., Goldsmith S., Boxman R.L. Comparative characteristics of high-pressure arc radiation in argon, krypton and xenon atmospheres // Plasma Sources Sci. Technol., 2004, V. 13, P. 454-460. 13. Klein L. Measurements of spectral emission and absoprtion of a high pressure xenon arc in the stationary and the flashed modes // Applied Optics, 1968, V. 7, Pp. 677-685. 14. Генералов Н.А., Зимаков В.П., Козлов Г.И., Масюков В.А., Райзер Ю.П. Экспериментальное исследование непрерывно горящего оптического разряда // ЖЭТФ, 1971, Т. 61, В. 1, С. 1434-1446. 15. Буфетов И.А., Прохоров А.М., Федоров В.Б., Фомин В.К. Медленное горение лазерной плазмы и оптические разряды // Труды ИОФАН. Т. 10. М.: Наука, 1988. С. 3-74. 16. Анциферов П.С., Кошелев К.Н., Кривцун В.М., Лаш А.А. Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения // Изобретение, заявка RU 2013116408, 11.04.2013. 17. Глова А.Ф., Лебедев Ф.В., Ярцев В.П. О рефракции лазерного излучения на плазме оптического разряда // Квантовая электроника, 1985, Т. 12, С. 2471-2473. 18. Козлов Г.И., Кузнецов В.А. Влияние на режим горения оптического разряда рефракции лазерного излучения на плазме разряда // Письма ЖТФ, 1994, Т. 20, С. 197-198. 19. Райзер Ю.П., Силантьев А.Ю., Суржиков С.Т. Двумерные вычисления для непрерывного оптического разряда в потоке атмосферного воздуха // ТВТ, 1987, Т. 25, №3, С. 454-461. 20. Будник А.П., Вакуловский А.С., Попов А.Г., Суржиков С. Т. Математическое моделирование дозвукового распространения оптического разряда в луче СО2-лазера с преломлением лазерного луча // Математическое моделирование, 1996, Т. 8, С. 3-25. 21. Zimakov V.P., Kedrov A.Yu., Kuznetsov V.A., Shemyakin A.N., Solov'yov N.G., Yakimov M.Yu. Laser sustained plasma ball lensing effect controlled by means of coaxial gas flow // Proc. SPIE 7913-05-01-10, 2011. 22. Zimakov V.P., Kuznetsov V.A., Shemyakin A.N., Solov'yov N.G., Shilov A.O., Yakimov M.Yu. Bistable behavior of a continuous optical discharge as a laser beam propagation effect // Proc. SPIE 8600-02-01-12, 2013. 23. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Кедров А.Ю., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Непрерывная генерация лазерной плазмы для применения в научных исследованиях, измерениях и технологии // Материалы XI Международной конференции «Забабахинские научные чтения. 16-20 апреля 2012». (Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2012), 14 стр. http://www.vniitf.ru/images/zst/2012/s3/3-17.pdf
