Dependence of the acoustic signal value on the energy of a femtosecond pulse in aqueous aerosol and in aqueous aerosol w.pdf Перенос световой энергии на большие расстояния и лазерное зондирование окружающей среды входят в число основных проблем современной атмосферной оптики. Эффективной передаче лазерной энергии препятствует наличие облаков и туманов, в которых лазерное излучение существенно ослабевает. Для решения этой проблемы в ведущих научных центрах мира активно применяются технологии лазерной филаментации фемтосекундных импульсов. В [1, 2] экспериментально показано, что связанная с филаментом ударная волна выталкивает из области распространения лазерного импульса частицы аэрозоля, очищая от аэрозоля канал распространения световой энергии. В данной работе приведены результаты экспериментального исследования зависимости величины акустического сигнала от водного аэрозоля с наночастицами серебра (колларгол) от энергии фемтосекундных импульсов в режиме филаментации. Для проведения эксперимента была собрана экспериментальная установка, схема, которой представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - Ti:Sa-лазер; 2 - генератор аэрозоля; 3 - фотоаппарат; 4 - микрофон; 5 - осциллограф Излучение Ti:Sa-лазера с длиной волны λ ≈ 0.8 мкм и длительностью ∆t ≈ 50 фс направлялось с помощью сферического зеркала (f = 5 м) на струю водного аэрозоля, создаваемого генератором аэрозоля. Энергия лазера повышалась с 3.5 до 8.5 мДж. Изменения среды в зоне взаимодействия филамента с аэрозолем регистрировались фотоаппаратом модели Nikon AF-S NIKKOR 18-55 мм. С помощью микрофона Messkette MTG MK301 (чувствительность 5 мВ/Па, частотный диапазон от 20 до 60 кГц) и осциллографа Agilent Technologies DSO6052A (полоса пропускания 500 МГц, чувствительность 10 мВ/дел.) регистрировался акустический сигнал, сопровождающий взаимодействие филамента и аэрозольной струи. В качестве жидко-капельного аэрозоля использовался аэрозоль из дистиллированной воды и аэрозоль из водного раствора с наночастицами серебра (колларгол). В качестве генератора аэрозоля применялся ультразвуковой ингалятор «Муссон-1М», распыляющий аэрозоль со скоростью 0.4 мл/мин или 6∙10-18 мл/с. Микрофотографии наночастиц серебра, представленные на рис. 2, были получены с помощью электронного микроскопа JESP-II с предельным пространственным разрешением 2 Å. Рис. 2. Микрофотографии одиночных наночастиц серебра (колларгол) Наночастицы серебра были использованы для моделирования аэрозоля с ядрами Айткена, находящимися в реальной атмосфере и имеющими размеры меньше 200 нм. Данный раствор представляет собой взвесь наночастиц серебра в воде, полученную химическим способом [3]. На рис. 3 представлена фотография филамента, проходящего через струю жидко-капельного аэрозоля. Из рисунка видно, что под действием филамента (обозначенного стрелкой) происходит разбиение струи жидко-капельного аэрозоля. Вероятной причиной разбиения струи является образование акустической волны при филаментации [1, 2]. Рис. 3. Разбиение струи водного аэрозоля фемтосекундным импульсом в режиме филаментации В [4] показано, что филамент может отдавать значительную часть энергии импульса, например при фокусировке, в среду распространения. Энергия импульса затрачивается на создание плазмы. Переданная энергия преобразуется в тепловую энергию после рекомбинации плазмы и вращательной термализации, происходящих за время 1 нс и ~ 100 пс соответственно. Результирующий нагрев составляет от 100 до 1000 К в зависимости от энергии лазерного импульса. Нагретая область плазмы релаксирует сначала за счет газодинамического расширения с испусканием наружу цилиндрической волны давления и плотности, а затем путем теплопроводности [4]. Зависимость величины акустического сигнала от энергии фемтосекундного импульса накачки показана на рис. 4. Момент образования акустической волны, разбивающей струю надвое, определялся по резкому возрастанию амплитуды акустического давления в зависимости от энергии фемтосекундного импульса и одновременной регистрацией появления разбиения струи с помощью фотоаппарата (рис. 3). Из рис. 4 видно, что зависимости величины акустических сигналов от энергии лазерного импульса для чистой воды и воды с наночастицами серебра с концентрациями 0.01 и 0.5% приблизительно совпадают, в то время как темпы роста величины акустического сигнала от энергии накачки для воды с наночастицами серебра с концентрацией 10% значительно выше. Следует отметить, что для водного аэрозоля без наночастиц и аэрозоля с наночастицами серебра с концентрациями 0.01 и 0.5% разбиение струи происходит при энергиях импульса выше 9 мДж, а для водного аэрозоля с 10%-й концентрацией наночастиц серебра - при энергиях импульса выше 5.5 мДж. Рис. 4. Зависимость величины акустического сигнала от энергии фемтосекундного импульса в водном аэрозоле и в водном аэрозоле с наночастицами серебра различной концентрации Таким образом, были получены зависимости величин акустических сигналов от энергии лазерной накачки для водного аэрозоля и водного аэрозоля с наночастицами серебра. Показано, что при взаимодействии филамента фемтосекундного импульса со всеми типами аэрозолей наблюдается образование акустической волны, которая приводит к разбиению струи аэрозоля на две части, при этом образуется свободный от аэрозоля канал распространения фемтосекундного импульса. Этот оптогазодинамический эффект можно связать с действием цилиндрической ударной волны, возникающей после термализации плазмы, приводящей к нагреву филаментационного канала. Полученные данные необходимы при интерпретации результатов исследований, открывают широкие возможности для распространения лазерного излучения в реальной атмосфере, поскольку жидко-капельный аэрозоль с наночастицами различной концентрации представляет собой модель такой атмосферы.

Скачать электронную версию публикации