28. Электрический пробой газов в пучке лазерного излучения
Электрический пробой газа в сфокусированном пучке излучения рубинового лазера впервые наблюдали Терхьюн, Мейкер и Сейвидж в лаборатории Форда в 1963 г. [1]. Фотоснимок этого эффекта приведен на рис. 28.1 (на вклейке в конце книги). Напряженность электрического поля световой волны, необходимая для осуществления пробоя в газе, составляет 
В/см. Пробой — это одно из наиболее впечатляющих явлений в области квантовой электроники. С 1963 г. началось быстрое развитие исследований пробоя газов, твердых тел, жидкостей и возникающей под действием лазерного излучения плазмы. Появилась практическая возможность создания лазерной плазмы с температурой порядка миллионов градусов. Исследования были направлены на решение следующих основных вопросов:
а) Каков механизм электрического пробоя под действием света? В особенности важно было оценить роль многофотонной ионизации, эффекта туннелирования электронов и их ускорения в быстропеременном оптическом поле (лавинный процесс).
б) Какова динамика процесса образования и развития плазмы и какой максимальной температуры в ней можно достичь?
Выяснение вопросов, перечисленных в пункте (а) требовало проведения исследований зависимости порога пробоя от типа газа (величины энергии ионизации), давления, частоты света, а также длительности импульса. Для изучения динамики плазмы применяют прежде всего теневые методы, а о температуре плазмы судят по ее излучению. Ниже рассмотрен вопрос образования плазмы.
§ 1. МЕХАНИЗМ ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ
Предположим, что интенсивный пучок лазерного излучения фокусируется в газе с помощью линзы. Область фокуса обычно имеет объем порядка 
который зависит от начальной расходимости лазерного пучка, а также от процессов дифракции. Если газ находится при нормальном давлении, число атомов в области фокуса равно 
При столь большом числе атомов трудно точно учесть роль различных механизмов в пробое. Атомы и электроны часто сталкиваются друг с другом и могут эффективно обмениваться энергией. Если главную роль в пробое играет лавинная ионизация, порог пробоя должен заметно зависеть от давления газа. Если же
давление газа снизить до сотых или тысячных долей мм рт. ст., число атомов в области фокуса снижается настолько, что соударениями между атомами и электронами за время короткого светового импульса можно полностью пренебречь. Это в особенности относится к пикосекундным световым импульсам. Следовательно, электрический пробой вызывается многофотонной ионизацией или, проще говоря, отрывом электрона от атома в сильном электрическом поле световой волны (туннельный эффект). Согласно Райзеру [2], между туннельным эффектом и многофотонной ионизацией существуют лишь кажущиеся различия. Однако не все авторы разделяют эту точку зрения.
Таким образом, для выяснения типа процесса, определяющего пробой, необходимо прежде всего исследовать зависимость порога пробоя от давления, начиная от очень низких давлений. Дополнительную информацию получают при изменении частоты света и длительности импульса.
