Electrical parameters of a laser beam channel in atmosphere. II.pdf Исследование напряженности электрического поля в канале мощного лазерного излучения при его распространении в реальной атмосфере представляет интерес для дистанционного атомного анализа вещества аэрозолей и инертных газов в атмосфере, использования ионизированных каналов в качестве управляемых антенн, преобразователей электромагнитного излучения ВЧ-, УКВ- и КВ-диапазонов и применения в качестве направляющих стримеров грозового электричества [1-3]. В работе [3] показано, что при взаимодействии мощного лазерного излучения с атмосферой происходит ионизация среды в зоне воздействия. В данной работе приведены результаты исследований электрических характеристик ионизованного канала с целью выявления их зависимости от мощности излучения (предпробойный режим распространения излучения) и определения количественных значений наведенных электрофизических параметров. Измерение проводимости лазерного канала в допробойном режиме имеет ряд особенностей, обусловленных низкой проводимостью канала ионизации. Среднее значение электропроводности для пограничного слоя атмосферы составляет (2-3)10-16 См/см, для свободной атмосферы - 3010-16 См/см. Одним из методов измерения проводимости воздуха является «метод рассеивающего тела», сущность которого состоит в регистрации потери заряда изолированным телом в зависимости от проводимости окружающего воздуха. Этот метод реализован при создании датчика проводимости воздуха в [4, 5] и в данной работе и описан в [6]. Измерения напряженности электрического поля и его колебаний проводились с помощью аппаратурного комплекса с автоматической обработкой результатов, блок-схема и описание которого приведены в [6, 7]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Оптическое излучение от импульсного СO2-лазера с длительностью импульса 1.5 мкс, с энергией в импульсе до 500 Дж и диаметром пучка 140 мм фокусировалось линзой Л, изготовленной из NaCl (c фокусным расстоянием 75 см), в камеру, выполненную из текстолита (размеры 324244 см, диаметр входных окон 44 мм). Рис. 1. Схема экспериментальной установки Для уменьшения влияния внешних электрических полей на показания электрического датчика при генерации лазерных импульсов в камере формировалось однородное в пространстве и постоянное во времени электрическое поле напряженностью 60 В/м. Для этого использовался плоский конденсатор К и блок питания БП. Регистрация напряженности электрического поля проводилась с помощью датчика электрического поля Д. Датчик располагался на нижней заземленной пластине конденсатора на расстоянии 20 см от оси оптического пучка. Регистрация изменения величины напряженности электрического поля в конденсаторе после воздействия лазерного излучения осуществлялась цифровым вольтметром Щ4300 и запоминающим осциллографом С8-13. Настройка и юстировка оптической схемы производились с помощью He-Ne-лазера. Для измерения ионной проводимости воздуха в зоне воздействия оптического излучения СO2-лазера использовался ионный датчик ИД, который располагался на расстоянии 2 м от оси пучка излучения в горизонтальной плоскости. По другую сторону от пучка располагался вентилятор В, с помощью которого создавался воздушный поток для обдува ионного датчика. На рис. 2 приведены осциллограммы (совмещенные), которые показывают характерные изменения величины напряжения, регистрируемого с электрического датчика при разных интенсивностях лазерного излучения, создаваемых в промежутке между пластинами конденсатора в камере. Рис. 2. Осциллограммы изменений величины напряжения при разных интенсивностях лазерного излучения Интенсивность лазерного излучения изменялась с помощью ослабителей. В качестве ослабителя излучения использовалась лавсановая пленка толщиной 50 мкм, которая устанавливалась перед фокусирующей линзой. Величина напряжения накачки лазера при этом составляла 46 кВ. Линия, отмеченная на осциллограмме цифрой 1, соответствует нулевому сигналу с датчика. Кривая 2 показывает величину напряженности электрического поля в конденсаторе, которая составляла 60 В/м. Кривые 3, 4 и 5 соответствуют изменению электрического поля в конденсаторе при разных интенсивностях излучения. Как видно из осциллограмм, после воздействия лазерного излучения напряженность электрического поля в конденсаторе возрастает в первые две секунды, достигая максимума и затем медленно спадает до своего начального уровня. На рис. 3 приведен график изменения величины напряженности электрического поля в конденсаторе в зависимости от интенсивности лазерного излучения, создаваемой в промежутке между пластинами как в режиме фокусировки излучения, так и без фокусировки. По оси ОХ на рис. 3 приведены значения отношения энергии пучка к уровню энергии лазерного излучения без ослабления при напряжении накачки лазера 46 кВ. Полученные зависимости построены методом наименьших квадратов. Каждая точка на рис. 3 получена усреднением по пяти экспериментальным значениям. Значение в точке 1 на рис. 3 получено без ослабления исходного излучения; точка 2 соответствует ослаблению излучения одним слоем пленки, точка 3 - двумя слоями. Как видно из рисунка, при изменении плотности лазерного излучения в зоне воздействия линейно изменяется напряженность электрического поля как при фокусировке, так и без нее. Абсолютное значение изменения величины напряженности электрического поля без фокусировки лазерного излучения определяется мощностью излучения, прошедшего через входное отверстие камеры, и составляет 10 % от значения напряженности при исходной мощности [8]. Рис. 3. Изменение величины напряженности электрического поля: А - при фокусировке излучения; В - без фокусировки На рис. 4 представлены графики изменения величины напряженности электрического поля в зоне воздействия лазерного излучения (кривые 1 и 2) в зависимости от величины напряжения накачки, которая определяла выходную мощность лазера. Причем зависимость изменения напряженности электрического поля от напряжения накачки, полученная без фокусировки исходного излучения, представлена в масштабе, указанном слева от основной оси ординат. Небольшой уровень изменения электрического поля в камере после прохождения через нее несфокусированного пучка, как было указано выше, определяется 1/10 входной мощности излучения, прошедшего через входное окно. Зависимость 3 описывает изменение электропроводности воздушной среды вблизи пучка лазерного излучения. Рис. 4. Изменение величины напряженности электрического поля (кр. 1 и 2) и электропроводности среды (кр. 3) в зависимости от величины напряжения накачки лазера Если считать, что распределение мощности по поперечному сечению пучка равномерное, учитывая линейную зависимость изменения поля от энергетической плотности излучения, полученные изменения величины напряженности электрического поля можно связать с общей мощностью выходного пучка. На рис. 4 полученная зависимость обозначена пунктирной линией. Из рисунка видно, что при распространении мощного лазерного излучения в воздушной среде возникает статическое электрическое поле, величина которого линейно зависит от плотности мощности излучения как при фокусировке излучения, так и без таковой. На рис. 4 также приведена зависимость изменения электропроводности воздушной среды около зоны воздействия лазерного излучения в зависимости от напряжения накачки (мощности излучения, кривая 3). По оси ординат справа приведены значения электропроводности в логарифмическом масштабе. Видно, что характер изменения электропроводности среды линейно зависит от выходной мощности оптического излучения. Величина электропроводности среды, измеренная без излучения, составляла σ = 310-17 Смсм-1. После прохождения импульса излучения электропроводность среды резко возрастала. Например, при напряжении накачки лазера Uн = = 46 кВ электропроводность составляла σ = 3.910-15 Смсм-1, при Uн = 48 кВ - σ = 8.910-15 Смсм-1 и при Uн = 50 кВ - σ = 1810-15 Смсм-1. Таким образом, при распространении мощного лазерного излучения в канале его распространения формируется область с повышенным содержанием ионов, которая создает дополнительное электрическое поле и тем самым вызывает изменение напряженности поля в конденсаторе. Причем величина напряженности электрического поля, образующегося в результате воздействия на среду плазменным оптическим пробоем, выше, чем в случае коллимированного пучка излучения. Это превышение находится в диапазоне от 90 до 115 В/м при изменении напряжения накачки от 46 до 50 кВ. Его можно объяснить воздействием ультрафиолетового излучения плазменного образования на стенке камеры. Такое излучение плазмы способно вызвать фотоэффект со стенок камеры, что приводит к дополнительному образованию носителей заряда (электронов), а следовательно, и к увеличению электрического поля [9]. Изменения напряженности поля от мощности воздействующего излучения и оптических свойств атмосферы. На рис. 5 приведено изменение в относительных единицах напряженности наведенного электрического поля в атмосфере в зоне распространения мощного лазерного излучения от времени. Измеритель напряженности Еп электрического поля располагался на некотором расстоянии от оси пучка. Начало изменения поля соответствует окончанию прохождения лазерного пучка. Поток воздуха, кратковременно созданный через 10 с, как видно из рисунка, приводит к резкому уменьшению напряженности электрического поля. Поскольку в канале пучка создается повышенная ионизация, возникает дополнительное электрическое поле и наблюдается рост напряженности поля. А далее за счет различных атмосферных явлений (например, диффузии, конвекции, коагуляции) заряженные частицы в зоне воздействия излучения исчезают и напряженность электрического поля постепенно уменьшается. Рис. 5. Изменение напряженности электрического поля в зоне лазерного пучка Влияние энергетических параметров лазерного излучения исследовалось в комнатном воздухе при длительностях импульса 10-6 и 10-7 с и энергиях излучения 250 и 2.5 Дж соответственно. В первом случае диаметр пучка был равен 15 см, во втором - 0.8 см. Для измерения напряженности электрического поля Еп в зоне пучка использовалась методика, позволяющая компенсировать внешние помехи и провести разделение зарядов в канале лазерного пучка. Интенсивное лазерное излучение на длине волны  = 10.6 мкм направлялось в пространство между двумя пластинами конденсатора, в котором размещался датчик напряженности поля. В экспериментах изучалась зависимость поля внутри конденсатора от мощности излучения P. Типичные кривые полученных зависимостей показаны на рис. 6 (кривые I, II, ). Точки на рисунке - результат осреднения 10-15 измерений. Параметры измерений указаны в скобках. Кривая получена при тех же энергетических параметрах источника, что и кривая II, и построена в координатах, указанных на рисунке слева. В данном диапазоне изменения мощности наблюдаются две стадии (см. кривую I) изменения поля: 1) переходная (скорость изменения поля постепенно уменьшается; 2) установившаяся (скорость изменения поля почти постоянна). Из физического анализа следует возможность появления третьей стадии при дальнейшем увеличении мощности излучения. Продолжительность стадий сильно изменяется в зависимости от того, как установлен датчик напряженности поля (от геометрии датчика поля). Это указывает на дрейфовый механизм разделения зарядов в электрическом поле. Полученная зависимость описывается следующей эмпирической формулой: , где , и - постоянные. Рис. 6. Зависимость напряженности электрического поля от мощ¬ности лазерного пучка При взаимодействии мощного лазерного излучения с мелкодисперсной средой наведенное поле будет [3] , где - электрическое поле атмосферы; - безразмерный коэффициент, зависящий от свойств среды; - эффективное время распада аэрозольной среды; и - коэффициенты ослабления лазерного излучения в среде до воздействия и после воздействия излучения на атмосферу соответственно. В заключение можно сделать следующие выводы: 1. Установлено, что при распространении мощного лазерного излучения от импульсного СO2-лазера с длительностью импульса 1.5 мкс и энергией в импульсе до 500 Дж [10] в воздушной среде возникает статическое электрическое поле, величина которого линейно зависит от энергетической плотности пучка излучения как при фокусировке излучения, так и без таковой. Средняя величина наведённого поля меняется от 300 до 5000 В/м. 2. Из представленных результатов следует возможность диагностики канала ионизации с использованием электрооптических эффектов в атмосфере. Однако необходимость знания зависимостей и указывает на весьма жесткие ограничения применимости электрооптической диагностики даже в наиболее простом рассмотренном случае. 3. Результаты экспериментов подтверждают, что энергетические параметры лазерного излучения влияют на электрические характеристики атмосферы (напряженность электрического поля, проводимость и т.д.). Изменения электрических свойств атмосферы происходят не только в самом канале распространения, но и вне его зоны. При увеличении напряженности поля в канале распространения увеличивается на порядки и его электропроводность, что указывает на возможность использования канала для решения перечисленных выше задач. CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Скачать электронную версию публикации