книги из ГПНТБ / Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов

зались сравнимыми с порогами в аргоне и гелии (рис. 2.7), а в слу­ чае цезия и рубидия световые потоки такого же порядка проби­ вают газ гораздо более низкой плотности. Авторы усматривают противоречие между результатами для щелочных металлов и лавинной теорией. По это и неудивительно: в газах со столь малыми

800 тор (см. раздел 8). Зависимость порога от давления изуча­ лась также в работах [14] (воздух, азот, гелий, аргон), [15] (ар­ гон), [16] (инертные газы), [54] (атомарные и молекулярные газы, выяснялась зависимость от потенциалов ионизации).

Пробой, вызываемый излучением лазера на углекислом газе, исследовали значительно позднее, чем пробой, создаваемый излу­ чением твердотельных лазеров, после того, как была замодулирована добротность газового лазера и получены достаточно мощные импульсы. Первое краткое сообщение о наблюдении факта пробоя импульсами газового лазера содержалось в статье Смита [17]. Первые измерения порогов для пробоя были сделаны в работе Н. А. Генералова, В. П. Зимакова, Г. И. Козлова, В. А. Масюкова и автора [18]. В непрерывном режиме лазер давал мощность до 70 вт. Добротность резонатора модулировалась при помощи вращающегося зеркала. В результате получались импульсы дли­ тельностью 0,3—1,5 мксек, с пиковой мощностью порядка 10 кет, следующие с частотой 50—250 гц. Через соляное окно излучение поступало в камеру с исследуемым газом и фокусировалось назад в середину сосуда сферическим зеркалом с фокусом 1,5 см. Радиус

кружка фокусировки составлял 4-10~3 см.

Пробой развивается за время порядка 0,1 мксек, и затем^большая часть излучения поглощается образовавшейся плазмой. Од­ новременно с поглощением происходит и частичное отражение све­ та от плазмы, а также возникает свечение, которое продолжается еще довольно долго после окончания светового импульса, однако затухает задолго до начала следующего. За порог пробоя прини­ малось начало появления редких видимых вспышек.

На рис. 2.8 показаны результаты измерения порогов для про­ боя ксенона, аргона, неона и гелия в интервале давлений от 2 до 25 атм. Порог в гелии несколько повышается, если газ хорошо очищен. Это, видимо, объясняется тем, что ионизации поглощен­ ного газа способствует передача энергии от возбужденных атомов гелия атомам примесей, которая идет на ионизацию последних. При пробое ксенона наблюдалось заметное отражение лазерного

= 10,6 мк величины: 1ДЗ-1019 11см3.

На рис. 2.8 явно видны минимумы порогового поля, хотя они выражены и не очень резко, ибо лежат вблизи границы исследован­ ного диапазона давлений. Оценка показывает, что положение ми-

61

S, 6mI см 2

p, атм

нимума по давлению соответствует условию приближенного ра­ венства круговой частоты света и частоты столкновений. Для ксе­ нона, например, эффективная частота столкновений vm » 9 x хЮ 12 Ратм сек-1 и равенству © — 1,18А0Ырад/сек = vm соответ­ ствует давление 20 атм. Опытное значение лежит где-то в районе

15 атм.

Для того чтобы газ действительно пробивался импульсами из­ лучения лазера на углекислом газе, необходимо было принимать специальные меры, облегчающие появление затравочных электро­ нов. В противном случае пробоя не было. Это и понятно, ведь кванты лазера на углекислом газе (Й© = 0,124 эв) столь малы, что ни о каком многоквантовом фотоэффекте, который служит источни­ ком появления первых электронов в случае рубинового лазера, здесь не может быть и речи. Вместе с тем импульсы слишком крат­ ковременны, для того чтобы с заметной вероятностью в области фокуса появились случайные электроны естественного происхож­ дения (см. раздел 6). Пробой излучением лазера на углекислом га­ зе изучался и в работах [19, 20] (см. подразделы 7.2, 7.3). И. И. Аб­ рикосова и О. М. Бочкова [55] изучали пробой газообразного

62

и жидкого гелия, пройдя очень большой диапазон плотностей,

лов [21] измеряли пороги для пробоя атмосферного воздуха на пер­ вой и второй гармониках неодимового лазера. На второй гармони­ ке порог по потоку оказался выше, чем на первой, в 1,6—1,7 раза, правда, длительность импульса на второй гармонике была несколь­

ко меньше.

Детальная картина частотной зависимости представлена в ра­ боте Башера, Томлинсона и Дамона [22], которые измеряли по­ роги в инертных газах на первых и вторых гармониках рубино­ вого и неодимового лазеров. Длительности импульсов и размеры

Примечание. X, мк — длина волны; Ц, нсек — длительность импульса; гf, см — ра­ диус фокуса,

пороги для пробоя пяти инертных газов. Показательно сопостав­ ление порогов с потенциалами ионизации газов и упругими сече­ ниями. Видно, как для одной частоты пороги возрастают при уве­ личении потенциала. Исключение составляют только неон и гелий, но здесь, по-видимому, дело объясняется тем, что сечение упру­ гих столкновений электронов с атомами, которому пропорцио­ нальна скорость нарастания энергии электрона в поле, у гелия

выше, чем у неона.

Частотную зависимость порогов особенно явственно иллюстри­ рует рис. 2.9. Прежде всего обращает на себя внимание ее немо­ нотонный характер, в особенности резкое снижение порога на второй гармонике рубина. В рамках элементарной теории этого объяснить нельзя. Действительно, скорость нарастания энер­ гии электрона в поле обратно пропорциональна квадрату часто­ ты, и, вообще говоря, можно было бы ожидать частотной зависи­ мости порогового потока S ~ Е2 ~ о 2 (см. подраздел 6.3), ко­

63

степени. О немонотонном характере частотной зависимости поро­ гов пробоя свидетельствуют и^другие измерения [56, 57].

Интересно сопоставить пороги для пробоя излучением руби­ нового и неодимового лазеров_с порогом для лазера на углекислом газе, так как здесь|имеется сильное различие частот излучения. Это было сделано в работе^Смита [19]. Добротность лазера моду­ лировалась вращающимся зеркалом. Импульсы имели пиковую мощность 100 кет, длительность 200 нсек по уровню половинной интенсивности, расходимость 3,5-10~3 рад. Излучение фокусиро­ валось линзами, сделанными из германия или иртрана II (эти вещества, как и поваренная^соль, прозрачны для излучения

64

Сравнение с порогами для X = 1,06 мк показывает, что законо­ мерность S ~ со2 ~ Х~2 выполняется по порядку величины, хотя детального согласия ги’’ нет. Обращает на себя внимание обрат­ ный порядок следования порогов при переходе к более высоким потенциалам ионизации, но, во-первых, точность измерений для лазера на углекислом газе невелика, а во-вторых, прямого срав­ нения с величинами порогов для твердотельных лазеров прово­ дить нельзя. Слишком различаются длительности импульсов; если в случае твердотельных лазеров критерий пробоя — «нестационар­ ный», то в случае лазера на углекислом газе — явно «стацио­ нарный» .

7.3. Размеры фокуса. Уже самые первые измерения [1, 2] показали, что пороги пробоя в одних и тех же газах при одина­ ковых давлениях у разных авторов сильно различаются. В то вре­ мя, по-видимому, еще не обратили внимания на тот факт, что раз­ меры фокуса в этих работах были существенно разными, но вско­ ре зависимость порога от размеров подверглась специальному ис­ следованию. Подробные данные представлены в работе Хота, Мейерэнда и Смита [23]. В этих опытах использовались рубино­ вый и неодимовый лазеры, дающие импульсы треугольной формы с полуширинами 20 и 50 нсек и расходимостями 0 = 4,5 -10- 3 и 3* 10“3 рад соответственно. Пробой регистрировался по появле­ нию вспышки и путем вытягивания зарядов ( ~ 1 0 13 пар ионов), как и в опытах [1]. Для изменения размеров фокуса применялись линзы с различными фокусными расстояниями / от 3 до 15 см. По­ скольку целью работы являлось выяснение зависимости порога от размеров фокуса, т. е. диффузионных потерь, в качестве пара­ метра, характеризующего размеры, использовался не диаметр кружка фокусировки, а диффузионная длина Л (см. подраз­ дел 6 .1 ). Считалось, что область фокуса, т. е. область каустики лин­

луча, падающего на линзу. Диффузионная длина Л определялась через d и L по формуле, приведенной в подразделе 6.2.

Измерения показали, что пороговое поле заметным образом уменьшается при увеличении диффузионной длины, примерно как

и гелии при давлении 8,15 атм на частоте неодимового лазера. При изменении размеров фокуса несколько изменяется и зависи­ мость порога от давления, в частности смещается положение ми­ нимума по давлению. Так, оказалось, что при больших размерах фокуса минимум располагается при гораздо меньших давлениях, чем в случае острой фокусировки. Это иллюстрируется рис. 2.13. Любопытно, что при высоких давлениях порог в аргоне на частоте рубинового лазера становится меньше, чем для неодимового, по­ роговые кривые пересекаются (рис. 2.14).

66

Факт понижения порога пробоя при увеличении размеров об­ ласти фокусировки луча, в которой сосредоточено поле и где раз­ вивается пробой, казалось бы, свидетельствует о важной роли диффузионных потерь электронов. Однако прямые оценки показы­ вают, что электроны диффундируют слишком медленно и не успе­ вают покидать область фокуса, в особенности при высоких давле­ ниях. Авторы [23] предположили, что существуют некие «диффу­ зионноподобные» потери (как они их назвали), связанные с уходом

Рис. 2.12. Зависимость порогов от диффузионной длины [23]

Неодимовый лазер, р — 8,15 атм

возбуждения из области фокуса при диффузии резонансного из­ лучения. Надо полагать, что имеются в виду потери энергии, за­ пасенной в возбужденных атомах (в работе [23] говорится об этом очень кратко). Нам кажется сомнительным, чтобы такой механизм мог существенным образом повлиять на порог пробоя, так как по­ рог определяется скоростью развития лавины в самом начале это­ го процесса, когда электронов и возбужденных атомов еще очень мало и последние вообще не участвуют «в игре». Иными словами, судьба возбужденных атомов не может сказаться на величине порога.

Еще в работе [24] высказывалось предположение о том, что диффузионные потери действительно существуют и играют роль, но это диффузия электронов не из всей области фокуса, а из очень маленьких, «горячих» точек, в которых имеются повышенные ло­ кальные поля и где преимущественно развивается лавина. Дело в том, что распределение интенсивности по сечению лазерного луча весьма неравномерно и перепады интенсивности от одних точек к другим могут быть очень большими, в 10 и более раз. Это подтверждается и непосредственными измерениями, о чем речь пойдет в разделе 18. Распределение интенсивности в исходном луче подобным образом переносится и в область фокуса, т. е. там также имеются очень малые области с резко повышенным полем. Если уходить из всей области фокуса электроны не успевают, то выйти за пределы этих маленьких областей они могут успеть, и тогда это будет сказываться на скорости развития лавины.

Рис. 2.13. Пороги в гелии и аргоне [23J

Неодимовый лазер. Цифры около кривых Л, 10~3 см

р,тор

Рис. 2.14. Пороги|в аргоне и гелии на частотах рубинового (1) и неодимо­ вого (2) лазеров при Л = 2,4-10~3 см [23]

Е,1065/см

Рис. 2.15. Зависимость порогов в криптоне и ксеноне от фокусного расстоя­ ния линзы [9]

Лазер рубиновый, длительность импульса fi = 60 нсек

68

Надо сказать, что этот вопрос не проанализирован в достаточ­ ной степени, и высказанные соображения следует рассматривать как гипотезу.

Зависимость порогов от диаметра фокусного пятна изучалась [9, 10] при сравнительно низких давлениях. Результаты приве­ дены на рис. 2.15 (перейти от фокусного расстояния линзы к диа­ метру можно, зная расходимость их лазера 1 ,4-1 0 _3 рад).

Весьма ценными для теоретического исследования влияния размеров фокуса и диффузионных потерь на пороги пробоя яв­ ляются данные, полученные при помощи одномодового лазера, так как в этом случае получается гладкое распределение поля в области фокуса, лишенное случайных неоднородностей, что исклю­ чает неопределенности в величине полей. Измерение порогов с од­ номодовым лазером было сделано Смитом и Томлинсоном [25], Янгом и Херчером [16] и более детально в работе Алкока, Де Михелиса и Ричардсона [26]. В этой работе одномодовый рубиновый лазер давал очень слабо расходящийся световой пучок с гладким, почти гауссовым распределением интенсивности по углу, т. е. по сечению. Угловая расходимость по уровню 1/е от максимальной интенсивности составляла 0,63 ЛО- 3 рад. Фокусировка этого из­ лучения линзами с фокусами от 13 до 1 см позволила далеко про­ двинуться в сторону малых размеров фокуса, вплоть до Х ^ З х XIО" 4 см, что почти на порядок меньше, чем в работе [23] (X вы­ числялось по той же формуле). На рис. 2.16 показаны измерен­ ные пороги в аргоне при двух давлениях. Эти данные неплохо

ных давлениях и одинаковом фокусе линзы для пробоя одномодо­ вым и многомодовым лазерами. Результаты измерений порогов, сделанных с одномодовым лазером, очень удобны для сопостав­ ления с теоретическими расчетами, так как здесь распределение поля в области фокуса заведомо гладкое, без сильных неоднород­ ностей, которые характерны для многомодовых лазеров. В работе [26] также обсуждается возможность проявления эффектов само­ фокусировки лазерного излучения, разумеется, после того, как произошел пробой и образовалась плазма.

При пробое газов излучением лазера на углекислом газе наб­ людается такая же зависимость порога от диаметра, как и в случае рубинового или неодимового лазеров [20]. В этой работе был из­ мерен и порог для пробоя атмосферного воздуха на длине волны X = 10,6 мк. Лазер генерировал импульсы длительностью 200 нсек с пиковой мощностью более 1 Мет и расходимостью по половине мощности приблизительно 4,5 -ь 2,5-10- 3рад. Выше уже отмечалось, что для пробоя излучением лазера на углекислом газе необходим какой-то источник первых электронов. В этих опытах предварительную ионизацию обеспечивали примеси, по­ падающие в газ со стенок камеры, облученных самим лазерным

69

Е , 8/см

4, см

импульсом. В лабораторном воздухе первые электроны появля­ лись от каких-то присутствующих в нем загрязнений. Когда че­ рез область фокуса продували сухой азот, пробой никогда не воз­ никал, даже при максимальной интенсивности, которую мог дать лазер и которая превышала 1 0 10 вт1см2.

На рис. 2.18 показаны результаты измерений порогов в воз­ духе, аргоне, гелии при нескольких диаметрах фокуса. Пороги в гелии при 1 атм практически совпадают с порогами в аргоне при 1 атм, поэтому соответствующая кривая не проведена на рисунке.

Л. Е. Вардзигулова, С. Д. Кайтмазов и А. М. Прохоров [27] наблюдали понижение порога пробоя при наложении внешнего магнитного поля 200 кэ параллельно оси светового луча. Они свя­ зывают этот эффект с уменьшением влияния диффузионных потерь электронов, так как ларморовский радиус в таком поле, равный 10 5 cat, меньше длины свободного пробега. Однако Эдварс и Литвак [28] при поле 100 кэ и Чейн, Де Михелис и Кронаст [29] при

70