Импульсное поглощение энергии лазерного излучения

Импульсное поглощение лазерной энергии происходит в две стадии. На первой стадии происходит пробой газа в пятне сфокусированного лазерного излучения, что вызывает образование плазмы, которая может поддерживать дальнейшее поглощение.

Второй стадией является поглощение остальной лазерной энергии в ВЛГ за счет того или иного механизма поглощения, например в процессе, обратном тормозному излучению.

Для длин волн инфракрасного диапазона и представляющих практический интерес давлений процесс лазерного пробоя вызывается главным образом каскадной ионизацией, возникающей в результате ударной ионизации при нагреве электронов в процессе, обратном тормозному излучению. При меньших длинах волн, например для видимого и УФ диапазонов, могут действовать и другие механизмы, такие, как многофотонная ионизация и прямая фотоионизация из возбужденных электронных состояний.

О таком изменении механизма пробоя при уменьшении длины волны свидетельствует рис. 1.42, на котором показаны пороговые значения пробойной интенсивности излучения в функции длины волны для аргона. Штриховая линия соответствует обратно пропорциональной зависимости от квадрата длины волны (1Д2), характерной для нагрева в процессе, обратном тормозному излучению, которым объясняется пробой на длине волны 10,6 мкм. Светлыми значками обозначены результаты экспериментов в области длин волн 0,35—1,06 мкм; их расположение ясно показывает, что при уменьшении длины волны до 0,35 мкм обратная пропорциональность квадрату длины волны не сохраняется.

Вейл разработал теорию, учитывающую дополнительные эффекты. Расчеты по этой теории для аргона и длины волны 0,35 мкм приведены на рис. 1.43, где представлена зависимость вызывающей пробой пороговой интенсивности от длительности импульса. Зачерненными кружками обозначены результаты экспериментов работы при длительностях импульса ~500 нс и 0,4 нс; они весьма хорошо согласуются с теорией С другой стороны, данные Башера и др. при длительности 20 нс и Олкока и др. при 8 нс лежат намного ниже теоретической кривой Вейла. Причина этого расхождения пока непонятна, поэтому необходимы дальнейшие эксперименты для прояснения механизмов пробоя в области длин волн видимого и УФ диапазонов. На длине волны 10,6 мкм ситуация противоположная — здесь имеется достаточно обширная база теоретических и экспериментальных данных. Важность понимания механизмов пробоя в видимом и УФ диапазонах обусловлена тем, что работающие в этих диапазонах лазеры являются главными кандидатами на применение в лазерных двигателях.

Выше уже было сказано, что если происходит пробой рабочего тела и в фокальной области образуется поглощающая плазма, то остальная часть энергии лазерного импульса поглощается в ВЛД, которая движется вдоль луча и расширяется вниз по соплу. Эта волна аналогична обычной ударной волне, но, кроме того, она вызывает поглощение газом лазерной энергии. Поглощение лазерной энергии происходит в тонкой зоне горячего газа высокого давления за детонационной волной. Приведены обширные теоретические исследования ВЛД применительно к взаимодействию мощного лазерного излучения с мишенями.

В работе такие исследования были расширены и использованы для разработки численной модели одномерных ВЛД в движителе с импульсным лазерным нагревом. В этой работе рассматривается поглощение на длинах волн 10,6 и 0,35 мкм в аргоне и водороде в коническом и параболическом сверхзвуковых соплах и учитывается влияние многократно ионизованных компонент. Эта модель используется для подробных расчетов процессов поглощения и газовой динамики, происходящих в лабораторных движителях при нагреве излучением СОг-лазера (10,6 мкм) и XeF-лазера (0,35 мкм) с накачкой электронным пучком. Хотя подробные сравнения расчетов по этой модели с экспериментальными данными пока не проведены, тем не менее установлено, что расчеты суммарного поглощения энергии и динамики ударной волны в конце импульса согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

Модели, подобные разработанной, целесообразно использовать для расчета динамики процессов лазерного поглощения, которые будут происходить при других представляющих интерес сочетаниях длины волны лазерного излучения, длительности лазерного импульса, состава рабочего тела и формы сопла. Параллельно должны проводиться хорошо спланированные эксперименты с тщательной диагностикой. Они послужат средствами проверки справедливости этих моделей, а также помогут выяснить, в каких аспектах необходимо улучшить моделирование исследуемых явлений, чтобы глубже понять процессы поглощения лазерной энергии в импульсных лазерных двигателях.