Spatial and Temporal Instabilities of Optical Discharges
By now technologies employing optical discharges find ever expanding applications in metering and diagnostic equipment in science, engineering and medicine. Based on the original experimental results authors look into various manifestations of spatial and temporal instabilities of the continuous and periodic pulse optical discharges (COD, POD). Set of phenomena under consideration makes a great impact on a performance of optical discharge plasmas essential for many applications, such as high brightness broadband light sources, for instance. Performance instability of continuous optical discharges followed by laser beam refraction on the refraction index gradients exhibit itself first in spatial inhomogeneity of plasma thermal radiation luminosity and other parameters related. Spatial inhomogeneity is accompanied by temporal instability of the plasma. The paper reports criteria for the appearance of instabilities related to refraction, as well as the following limitations on supporting of elongated plasma. One of the main reasons of temporal instabilities of a continuous optical discharge is thermal gravity convection. Instability of a heated gas zone surrounding optical discharge is followed by regular self-sustained oscillations leading in turn to pulsing of brightness and position of radiated plasma. Simple physical model proposed gives estimations correspondent to the observed pulse frequency dependence on gas pressure. In the case of periodic pulse optical discharges forced convection may be put forward as one of the main discharge instability reasons. Pulse optical discharge induces convective flows due to asymmetrical gas expanding following gasdynamical effect of the energy release zone shape determined by laser beam focusing system configuration.
К настоящему времени технологии оптических разрядов находят все более широкое применение в контрольно-измерительной и диагностической аппаратуре для науки, техники и медицины. В данной работе на основе экспериментальных результатов, полученных авторами, обсуждаются различные проявления пространственной и временной нестабильности непрерывных и импульсно-периодических оптических разрядов (НОР, ИПОР). Рассматриваемый круг явлений оказывает влияние на характеристики плазмы оптических разрядов, важные для применений, таких например, как широкополосные источники излучения высокой яркости. Неустойчивость характеристик непрерывного оптического разряда, возникающая вследствие рефракции лазерного излучения на градиентах коэффициента преломления, проявляется в виде пространственной неоднородности плазмы и связанной с ней временной нестабильностью. В работе даны критерии появления нестабильностей, связанных с рефракцией, и вытекающие из них ограничения на получение плазмы большой относительной длины. Одной из главных причин временной нестабильности непрерывного оптического разряда является термогравитационная конвекция. Неустойчивость конвекции в области нагретого газа вокруг НОР приводит к регулярным автоколебаниям, проявляющимся в пульсации яркости и положения центра излучающей плазмы. В рамках простой физической модели получается оценка, отвечающая наблюдаемой зависимости частоты пульсаций от давления. В случае импульсно-периодических оптических разрядов главным фактором, определяющим нестабильность плазмы, может выступать вынужденная конвекция, возникающая по причине асимметричного расширения газа вследствие газодинамических эффектов в области энерговыделения, форма которой определяется характеристиками фокусирующей системы.
1. Smith D.K., et al. Laser Driven Light Source / US patent #7435982, 2008; #8309943, 2012. 2. 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. SPIE, V. 7680, 2010. P. 76800L. doi:10.1117/12.850269 3. 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(6), P. 1089-1093. doi:10.1364/AO.53.001089 4. 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 5. Анциферов П.С., Кошелев К.Н., Кривцун В.М., Лаш А.А. Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения / Заявка RU2013116408/07, 11.04.2013; патент РФ RU2534223, 2013. 6. Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Якимов М.Ю. Способ генерации широкополосного оптического излучения с высокой яркостью // Заявка №2014133807/28, 2014. Патент на изобретение РФ №2571433, 2015. 7. 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(1). С. 1434-1446. 8. Герасименко М.В., Козлов Г.И., Кузнецов В.А. Механизм стабилизации и осцилляций плазмы непрерывного оптического разряда // Письма в ЖТФ, 1980. Т. 6(8). С. 485-489. 9. Генералов Н.А., Захаров А.М., Косынкин В.Д., Якимов М.Ю. Устойчивость непрерывного оптического разряда в потоке атмосферного воздуха // Физика горения и взрыва, 1986. Т. 22(2). С. 91-94. 10. Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Непрерывный оптический разряд в условиях тепловой гравитационной конвекции, 1989, №4. С. 125-129. 11. Makhviladze G.M., Selezneva I.K. The thermal stability of a stationary wave of an optical discharge // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 1981, V. 22(5) P. 646-651. doi: 10.1007/BF00913713 12. Барановский А., Муха З., Перадзыньский З. Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах// Успехи механики, 1978. Т. 1(3/4). С. 125-147. 13. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Шемякин А.Н., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Импульсно-периодические и комбинированные режимы поддержания оптических разрядов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2015. Т. 16. В. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/548/ 14. Heins A.M., Guo Chunlei. High stability breakdown of noblegases with femtosecond laser pulses // Optics Letters, 2012. V. 37(4), P. 599-601 https://doi.org/10.1364/OL.37.000599 15. Буфетов И.А., Прохоров А.М., Федоров В.Б., Фомин В.К. Гидродинамическая релаксация облака горячего газа после лазерного пробоя в воздухе // Доклады Академии Наук СССР, 1981. Т. 261. С. 586-588. 16. Brieschenk S., O’Byrne S., Kleine H. Visualization of jet development in laser-induced plasmas // Optics Letters, 2013. V. 38(5). P. 664-666. https://doi.org/10.1364/OL.38.000664 17. Kojima H., Takahashi E., Furutani H. Breakdown plasma and vortex flow control for laser ignition using a combination of nano- and femto-second lasers // Optics Express, 2014. V. 22(S1). P. A90-A98. https://doi.org/10.1364/OE.22.000A90 18. Тищенко В.Н., Грачев Г.Н., Павлов А.А., Смирнов А.Л., Павлов Ал.А., Голубев М.П. Газодинамические эффекты взаимодействия неподвижного оптического пульсирующего разряда с газом // Квантовая электроника, 2008. Т. 38(1). С. 82-87 http://dx.doi.org/10.1070/QE2008v038n01ABEH013601 19. Зимаков В.П., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Поддержание квазистационарной плазмы излучением импульсно-периодического лазера предпробойной интенсивности // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2015. Т. 16. В. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-4/articles/584/ 20. Zimakov V.P., Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Shemyakin A.N., Shilov A.O., Yakimov M.Yu. Quasi-stationary convection in a periodic-pulsed optical discharge in high pressure rare gas // IOP Journal of Physics: Conf. Series, 2017. V. 815. P. 012003. doi:10.1088/1742-6596/815/1/012003 21. Mainfray G. Multiphoton ionization of atoms // Journal de Physique Colloques, 1985. V. 46(C1). P. 113-125 https://doi.org/10.1051/jphyscol:1985111 22. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Лаврентьев С.Ю., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Новые возможности применения оптических разрядов в аэрофизическом эксперименте // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т. 17. В. 2. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-2/articles/653/
