New Possibilities for Applying Optical Discharges to Aerophysical Experiments


View article
PDF, 1.1 MB


Newly developed technologies for sustaining optical discharges (OD) at laser intensities below optical breakdown threshold provide possibilities for expanding their application in aerophysical experiments. High density of the laser power dissipation and high temperature of OD provide possibility to localize high power density energy deposition in any required place. The paper discuss some examples of the use of continuous and periodic pulsed OD for production of high enthalpy gas flows, high energy atomic flow generation, stabilization inductively coupled RF discharges, hyper sound flow control and others.
High brightness plasma light sources based on OD are now most developed to be directly applied for absorption spectroscopy purposes or as point spectral light source for optical density gradients visualization in desired spectral band from UV to IR. Small linear dimensions of the OD plasma together with very high brightness could substantially improve sensibility and resolution of optical devices, providing also the possibility of efficient application of optical fibers for guiding the probe light.
Authors have developed advanced technique for OD plasma stabilization in crossed focused beams of the fiber coupled near-IR laser diode modules, designed and constructed the prototype of a broadband laser plasma light source for various applications. The device provides possibilities for realization continuous, periodic pulsed and hybrid regimes of sustaining OD plasma, which may extend possible areas of its application. Design and characteristics of the OD plasma light source are described, possible applications are discussed.

optical discharge, COD, POD, laser plasma light source, laser plasma applications

Vladimir Zimakov, Vladimir Kuznetsov, Sergey Yur'evich Lavrentyev, Nikolay Soloviev, Andrey Shemyakin, Andrey Shilov, Mikhail Yakimov

Volume 17, issue 2, 2016 year


Новые возможности применения оптических разрядов в аэрофизическом эксперименте

Развитые к настоящему времени технологии организации оптических разрядов при интенсивностях лазерного излучения ниже порога оптического пробоя позволяют рассчитывать на расширение возможностей их применения для целей аэрофизического эксперимента. В докладе обсуждаются примеры использования оптических разрядов для создания высокоэнтальпийных потоков газа, генерации пучков атомов с высокой энергией, управления потоками при сверхзвуковом обтекании и другие.
Наиболее близкими к реальному применению для решения, например, задач спектроскопии или визуализации градиентов плотности в потоках газа на сегодняшний день могут считаться плазменные источники излучения на основе оптического разряда. Малые линейные размеры плазмы оптического разряда в сочетании с очень высокой яркостью позволяют повысить чувствительность и разрешающую способность оптических приборов, а также эффективно использовать волоконную оптику для подвода излучения.
Авторы разработали оригинальный метод стабилизации плазмы оптического разряда в скрещенных сфокусированных пучках диодных лазерных модулей, отличающийся рядом преимуществ, и создали на его основе широкополосный источник излучения. Устройство позволяет реализовать непрерывный, импульсно-периодический и гибридный режимы поддержания оптического разряда, расширяющие диапазон его применения. Приводятся характеристики разработанного источника излучения и обсуждаются возможности его применения в экспериментальной технике.

оптический разряд, НОР, ИПОР, лазерно-плазменный источник излучения, применение оптических разрядов

Vladimir Zimakov, Vladimir Kuznetsov, Sergey Yur'evich Lavrentyev, Nikolay Soloviev, Andrey Shemyakin, Andrey Shilov, Mikhail Yakimov

Volume 17, issue 2, 2016 year



1. Raizer Yu.P. The Feasibility of an Optical Plasmotron and Its Power Requirements // Sov. JETP Lett., 1970, V. 11, P. 120-123.
2. Generalov N.A., Zimakov V.P., Kozlov G.I., Masyukov V.A., Raizer Yu.P. Continuous Optical Discharge // Sov. JETP Lett., 1970. V. 11, P. 302-304.
3. Raizer Yu.P. Laser-induced discharge phenomena / New York: Consultants Bureau, 1977. 366 p.
4. Gerasimenko M.V., Kozlov G.I., Kuznetsov V.A. Laser plasmatron // Sov. J. Quantum Electron., 1983. V. 13(4), P. 438-443.
5. Generalov N.A. , Zakharov A.M., Kosynkin V.D., Yakimov M.Yu. Stability of a continuous optical discharge in an atmospheric-air flow // Combustion, Explosion, Shock Waves, 1986. V. 22(2), P. 214-218.
6. Surzhikov S.T. Computational physics of electric discharges in gas flows / Berlin: De Gruyter, 2013. 428 p.
7. Keefer D.R. Laser sustained plasmas // In Laser-induced plasmas and applications. Radziemski L.J., Cremers D.A., Eds. (NY: Marcel Dekker, 1989) P. 169-206.
8. Alekseeva I.V., Budnik A.P., Zherebtsov V.A., Zrodnikov A.V. Surzhikov S.T. Continuous optical discharge in a thermionic converter for conversion of laser radiation energy into electrical energy // Technical Physics Letters, 1999. V. 25(4), P. 290–292. doi:10.1134/1.1262456
9. Bolshakov A.P., Vostrikov V.G., Dubrovskii V.Yu., Konov V.I., Kosyrev F.K., Naumov V.G., Ralchenko V.G. A laser plasmotron for chamberless deposition of diamond films // Quantum Electron., 2005. V.35(4), P.385-389. doi:10.1070/QE2005v035n04ABEH003418
10. Bagayev S.N., Grachev G.N., Ponomarenko А.G., Smirnov А.L, Demin V.N., Okotrub A.V., Baklanov А.M., Onischuk А.А. A new method of laser-plasma synthesis of nanomaterials. First results and prospects // Proc. SPIE, V. 6732, 2007. Р. 673206. doi:10.1117/12.751881
11. Cross J.B., Cremers D.A. High kinetic energy (1–10 eV) laser sustained neutral atom beam source // Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. B. 1986. V. B13(1-3). P. 658-662. doi:10.1016/0168-583X(86)90586-0
12. Matsui M., Yoneda S., Komurasaki K., Yamagiwa Y., Arakawa Y. Atomic-oxygen-flow generation by laser-driven plasma wind tunnel as low-earth-orbit-environment simulator // AIAA Journal, 2014, 52(8), p. 1806-1810. doi:10.2514/1.J052991
13. Girard J.M., Lebehot A., Campargue R. Generating conditions of a laser-sustained argon plasma jet // J. Phys. D: Appl. Phys. V. 26(9). 1993. P.1382-1393. doi:10.1088/0022-3727/26/9/007
14. Matsui M., Shinmi K., Komurasaki K., Arakawa Y. Enthalpy distributions of laser driven high enthalpy wind tunnel // AIAA Paper, p. 2008-4133. doi:10.2514/6.2008-4133
15. Myrabo L., Raizer Yu.P., Surzhikov S.T. Laser combustion waves in Laval nozzles // High Temperature, 1995. V. 33(1), P. 11-20.
16. Myrabo L.N., Raizer Yu.P. Laser-Induced Air Spike for Advanced Transatmospheric Vehicles // AIAA Paper, 1994, 94-2451. doi:10.2514/6.1994-2451
17. Toumanov I.N. Plasma and High Frequency Processes for Obtaining and Processing Materials in the Nuclear Fuel Cycle / Hauppauge, N.Y.: Nova Science Publishers, 2003. 604 p.
18. Inoue T., Uehara S., Komurasaki K., Arakawa Y. Inductively coupled plasmas supported by laser plasmas for high enthalpy flow // AIAA Paper, 2005, p. 2005-950. doi:10.2514/6.2005-950
19. Smith D.K., et al. Laser Driven Light Source / US patent #7435982, 2008; #8309943, 2012.
20. Horne S., Smith D., Besen M., Partlow M., Stolyarov D., Zhu H., Holber W. A novel high-brightness, broadband light-source technology from the VUV to the IR // Proc. of SPIE, Vol. 7680, 2010. P. 76800L. doi:10.1117/12.850269
21. Antsiferov P.S., Koshelev K.N., Krivtsun V.M., Lash A.A. Light source with laser pumping and method for generating radiation / US patent #9357627 B2, 2016. Priority 11.04.2013.
22. Arp U., Vest R., Houston J., Lucatorto T. Argon mini-arc meets its match: use of a laser-driven plasma source in ultraviolet-detector calibrations // Applied Optics, 2014. V. 53, N. 6, P. 1089-1093. doi:10.1364/AO.53.001089
23. Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Shemyakin А.N., Shilov A.O., Yakimov M.Yu., Zimakov V.P. Bistable behavior of a continuous optical discharge as a laser beam propagation effect // Proc. SPIE, V. 8600, 2013. P. 860002. doi:10.1117/12.2003658
24. Zimakov V.P., Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Shemyakin A.N., Shilov A.O., Yakimov M.Yu. Interaction of Near-IR Laser Radiation with Plasma of a Continuous Optical Discharge // Plasma Physics Reports, 2016, V. 42(1), P. 68-73. doi:10.1134/S1063780X15110100
25. Raizer Yu.P. Fizika gazovogo razryada / Dolgoprudny, Moscow Region: Intellekt, 2009. 736 p. (In Russian)
26. Rudoy I.G., Solovyov N.G., Soroka A.M., Shilov A.O., Yakimov M.Yu. Xenon Plasma Sustained by Pulse-Periodic Laser Radiation // Plasma Physics Reports, 2015, V. 41(10), P. 858-861. doi:10.1134/S1063780X15100086
27. Rudoy I.G., Solovyov N.G., Soroka A.M., Yakimov M.Yu. Method for generating a broadband optical radiation of high luminosity // Appl. #2014133807/28, 18.08.2014. Patent RU2571433, 2015.
28. Rudoy I.G., Solovyov N.G., Soroka A.M., Yakimov M.Yu. Source of a broadband optical radiation of high luminosity // Appl. #2015109061/28, 16.03.2015. Patent RU157892, 2015.
29. Zimakov V.P., Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Shemyakin A.N., Shilov A.O., Yakimov M.Yu. Periodic-pulsed and combined modes of sustaining optical discharges // Fiziko-himicheskaya kinetika v gazovoi dinamike, V. 16(2), 2015 (In Russian, English Abstract) http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/548/