§ 2. ВАЖНЕЙШИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что в диапазоне давлений порог пробоя благородных газов заметно снижается с ростом давления. Пороговое значение напряженности электрического поля световой волны, необходимое для пробоя, достигает минимума (около 105 В/см) при относительно высоких давлениях, порядка десятков, а иногда и сотен атмосфер. Это, по-видимому, подтверждает лавинный характер процесса пробоя. Чрезвычайный интерес

Рис. 28.2. Схема первой установки для исследования прибоя газов в свете мощного лазерного пучка [8]: 1 — зеркало, 2 — ячейка Керра, 3 — поляризатор, 4 — рубин или неодимовое стекло, 5 - импульсные лампы, 6 — выходное зеркало, 7 — стальная камера высокого давления.

Рис. 28.3. Зависимость пороговой пробивной напряженности электрического поля впучке неодимового лазера от давления в гелии (а) и аргоне (б) [8]. Параметром является длина диффузионного пробега .

представляют измерения порога пробоя при пониженном давлении. Порог пробоя слабо зависит от давления при малых давлениях, что указывает на определяющую роль многофотонной ионизации атомов в процессе пробоя. Порог пробоя достаточно заметно зависит от частоты излучения. Для большинства благородных газов он максимален в области от 5000 до 8000 А и резко снижается для более коротких и более длинных волн. Среди многих физиков, занимавшихся вопросами пробоя, следует прежде всего упомянуть Мейеранда, Смита и Хота [3, 8], Томлинсона и др. [4], Джилла и Дугала [5], Воронова и Делоне [6], Минка [7], Мандельштама, Пашинина, Прохорова и др. [9]. На рис. 28.2 изображена схема первой установки для исследования пробоя в газах [8]. Стальная камера высокого давления позволяла изучать зависимость порога пробоя газа от давления. На рис. 28.3 представлены результаты измерений порога пробоя гелия (а) и аргона (б) от давления и длины диффузионного пробега Л. Пороги пробоя выражены в единицах напряженности электрического поля световой волны неодимового лазера. Экспериментально установлено, что пороговое поле обратно пропорционально объему области фокуса, что ясно указывает на существенную роль диффузионных потерь энергии в процессе

Рис. 28.4. Зависимость порогового поля для некоторых газов от характеристической длины диффузионного пробега [8].

оптического пробоя. Объем области фокуса зависит от диаметра и начальной расходимости пучка перед фокусировкой, а также от фокусного расстояния линзы. Область фокуса имеет форму цилиндра диаметром и длиной Следовательно, ее объем равен

Хот и др. определяют характеристический диффузионный пробег для области в форме цилиндра с помощью выражения

Для типичной линзы с см и лазерного пучка с начальным диаметром получаем

Рис. 28.5. Зависимость пороговой плотности мощности пробоя в аргоне и ксеноне от давления для четырех различных длин волн излучения [10].

Пробой в случае малых областей фокуса (а значит, и малых ) требует значительно большей интенсивности излучения. Это хорошо видно на рис. 28.4. Приведем здесь также результаты измерений Бушера и др. [10], определивших зависимость порога пробоя ксенона и аргона от частоты излучения и от давления (рис. 28.5,

28.6 и табл. 28.1). Авторы применили для исследования пробоя основные волны и вторые гармоники рубинового и неодимового лазеров.

Уменьшив давление газа, можно исключить вероятность лавинной ионизации. В качестве примера рассмотрим эксперимент Перессини [11]. Он применил пучок рубинового лазера с высокой степенью монохроматичности и плотностью мощности Пучок фокусировался линзой на ячейку, наполненную благородным газом под давлением 0,3 мм рт. ст. (рис. 28.7). Напряжение, «выводящее» ионы из области пробоя, было равно 70 В. Это напряжение должно быть не слишком высоким, чтобы не вызвать вторичной эмиссии с электродов. Практически все возникавшие в процессе пробоя ионы выводились столь быстро, что возможность соударений была исключена. В противном случае соударения приводили бы к увеличению числа зарядов между электродами. В течение лазерного импульса длительностью 50 не регистрировалось прохождение около 6,3 108 электронов. Число

(кликните для просмотра скана)

Таблица 28.1 (см. скан) Пороговые плотности мощности пробоя и энергии ионизации некоторых благородных газов [10]

возникающих свободных электронов было приблизительно равно числу всех атомов в области фокуса. Таким образом, Перессини наблюдал процесс образования электрон-ионных пар под влиянием сильного электрического поля Лазерного пучка в отсутствие искажений, обусловленных лавинными и диффузионными эффектами. Большой интерес представляют эксперименты Олкока и Ричардсона [12], в которых для пробоя газа использовались световые импульсы длительностью с плотностью мощности

Рис. 28.8. Схема установки для исследования зависимости пробоя пикосекундными световыми импульсами от давления газа [14]. В схеме применен селектор одиночных импульсов (см. гл. 27). 1 — лазер, 2 — призма Глана; 3 — ячейка Поккельса, 4 — клин из , 5 — усилитель света, 6 — клин, 7 — калориметр, 8 — фотоэлемент, 9 — осциллограф, 10 — ячейка ДФЛ, 11 — фильтр, 12 — фотоумножитель, 13 осциллограф.

Рис. 28.9. Зависимость порога пробоя в азоте от давления [14].

Установлено, в частности, что порог пробоя воздуха при нормальном давлении возрос от (для импульсов длительностью около 30 нс) до (для пикосекундных импульсов). В то же время порог пробоя зависит от давления в диапазоне от до мм рт. ст. так же, как и в случае нано-секундных импульсов. Весьма систематические исследования пробоя газов сверхкороткими световыми импульсами выполнены группой физиков в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР (Красюк, Пашинин,

Прохоров [13, 14]). Схема эксперимента представлена на рис. 28.8. Лазер работал в режиме синхронизации мод и генерировал серию пикосекундных импульсов. С помощью ячейки Поккельса и лазерного искрового разрядника из этого цуга выделяли единичный импульс, который затем усиливался в неодимовых стержнях квантового усилителя. Длительность сверхкороткого импульса измерялась известным методом ДФЛ с помощью ячейки с родамином и составляла 5-10-11 с при размерах фокального пятна

Можно показать [13, 14], что пороговая интенсивность света, вызывающая пробой в газе, в случае лавинного процесса равна

где А — некоторая постоянная, Ф — потенциал ионизации, — давление, — длительность импульса. При лавинном процессе порог пробоя должен заметно уменьшаться с ростом давления. На рис. 28.9 приведены экспериментальные результаты Красюка и Пашинина для молекул азота. В области значительных давлений преобладает лавинный механизм, а при малых давлениях — процесс многофотонного поглощения. Те же авторы исследовали пробой азота пикосекундными импульсами с длиной волны 0,35 мкм (вторая гармоника рубинового лазера). Сравнив пороги пробоя на длинах волн 0,7 и 0,35 мкм, они пришли к выводу, что пробой обусловлен одновременным поглощением нескольких фотонов, а не туннельным эффектом. При двукратном увеличении частоты излучения порог снижался в 20 раз при пробое в аргоне и в 300 раз в азоте.

Долгое время считалось, что для пробоя газов необходимы импульсные твердотельные лазеры, например рубиновый или

Рис. 28.10. Схема установки [15] для исследования порогов пробоя газов излучением перестраиваемого лазера на красителе: 1 — поляризатор, 2 — ячейка Поккельса, 3 — рубин, 4 — фотодиод, 5 — осциллограф, 6 — дифракционная решетка, 7 — краситель, 8 — селективное зеркало, 9 спектрограф, 10 — фотодиод, 11 — камера.

неодимовый. Однако позднее интересные результаты были получены при исследованиях пробоя с помощью перестраиваемых лазеров на красителях [15] или молекулярных газовых лазеров [16, 17]. Особенно удобными оказались лазеры на красителях благодаря возможности изменения длины волны на сотни ангстрем с помощью соответствующих дисперсионных элементов, установленных внутри лазерного резонатора. На рис. 28.10 приведена схема эксперимента Олкока и др. [15]. Для оптического возбуждения красителя служили гигантские импульсы рубинового лазера. Модуляция излучения рубинового лазера осуществлялась с помощью ячейки Поккельса и поляризатора. Одно из зеркал резонатора лазера на красителе

Рис. 28.11. Схема эксперимента Тюлипа и др. [17].

Пробой воздуха осуществляется внутри оптического резонатора молекулярного лазера на

Рис. 28.12. Схематическое изображение эволюции плазмы, возникающей в воздухе под действием цуга световых импульсов [20].

было заменено отражательной дифракционной решеткой. Изменение наклона решетки относительно оптической оси позволяло перестраивать длину генерируемой волны в пределах от 7000 до 8500 А. Лазер на красителе генерировал импульсы мощностью и длительностью 25 не. Их интенсивность была достаточной для электрического пробоя газа.

Новый интересный метод исследования процессов пробоя связан также с применением световых пучков от газовых молекулярных лазеров на с длиной волны 1,06 мкм. Смит [16] исследовал электрический пробой воздуха и других газов с помощью молекулярного лазера с поперечным возбуждением (ТЕА-лазер). Лазер генерировал импульсы длительностью 200 не с мощностью 1 МВт. Представляет интерес вывод Смита о зависимости порога пробоя от размера области фокуса; например, для гелия под давлением 2 атм порог снижался от 109 до 108 В/см при увеличении диаметра светового пятна в области фокуса от 0,01 до 0,1 см, что указывает на большую роль диффузии в процессе пробоя. Как и для видимого излучения, зарегистрировано снижение порога пробоя с ростом давления газа.

Среди важнейших экспериментальных результатов в рассматриваемой области заслуживает упоминания работа Тюлипа и др. [17]. Они получили электрический пробой воздуха при нормальном

Рис. 28.13. Рисунок с фотографии искры, возникшей в фокусе. Яркое ядро искры обозначено утолщенной линией, а диффузная оболочка — пунктиром

Рис. 28.14. Осциллограммы лазерного импульса, вызывающего пробой (вверху), излучения, прошедшего через плазму (в середине), и излучения, испускаемого плазмой (внизу) [21].

давлении внутри оптического резонатора молекулярного лазера на Пучок фокусировался с помощью линзы из NaCl и формировался вогнутым зеркалом. Система (рис. 28.11) генерировала импульсы длительностью 200 не с энергией Пробой воздуха в области фокуса снижал добротность резонатора и служил автоматическим триггером (выключателем) лазерной генерации.

Применение газовых лазеров для исследования пробоя может оказаться очень удобным, поскольку в этом случае частота повторения не ограничена. Пробой газа можно также осуществить с помощью цуга сверхкоротких световых импульсов. Установлено [15, 18, 19], что пробой и плазма в области фокуса возникают уже под действием первого импульса из цуга; поэтому полная энергия цуга не оказывает заметного влияния на процесс пробоя. Это подтверждают эксперименты Мейера и Тимма [20], проиллюстрированные на рис. 28.12. Авторы использовали цуг сфокусированных импульсов неодимового лазера. Длительность одного импульса из цуга составляла от 0,2 до 0,7 нс, а интервал между импульсами — 7 нс. Возникающая в фокусе плазма характеризовалась заметной неоднородностью; по мере поглощения лучистой энергии следующих друг за другом импульсов происходило развитие плазмы в направлении к лазеру. Области, обозначенные цифрами 1,2,3, 2, 3 и т. д., создавались последовательными импульсами, достигающими плазменной области каждые 7 не. Плазма, созданная в фокусе, может ионизовать газ в соседних областях, что облегчает пробой для следующих световых импульсов.

В заключение обзора экспериментальных результатов по пробою газов лазерным пучком приведем схематическое изображение эволюции плазмы в фокусе (рис. 28.13) и осциллограммы света, прошедшего сквозь плазменную область, и излучения искры (рис. 28.14), полученные Юнгом и др. [21]. В момент пробоя интенсивность проходящего света резко падает. Сама плазма становится источником излучения с временем затухания, превышающим время спада лазерного импульса.