Разработка методики инфакрасной голографии в области 10.6 МкМ и ее применение для диагностики плазмы

Прогресс физики плазмы в последние годы в значительной степени обязан появлению новых диагностических методов, так как без этих средств был бы немыслим современный уровень экспериментальных исследований плазмы.

Диагностика плазмы играет важную роль во всех плазменных экспериментах и является в настоящее время быстро развивающейся областью экспериментальной физики. Разработка методов диагностики неотделима от исследований плазмы в целом. Так, открываемые новые свойства плазмы позволяют создавать новые диагностические методы, базирующиеся на этих свойствах. Однако, не ограничиваясь., этим, диагностика плазмы также заимствует методы из различных областей физики, таких как оптика, спектроскопия, СВЧ-техника и др. Таким образом, диагностика плазмы включает в себя гораздо более широкий крут вопросов, чем-то, что понимается под термином «физика плазмы». В частности, получили широкое распространение оптические методы диагностики плазмы. Одним из основных преимуществ этих методов является их бесконтактность, поэтому их использование не приводит к изменению свойств и параметров исследуемой плазмы. На сегодняшний день существует большое число различных методов, поскольку область применимости отдельных методов ограничена. Все вместе взятые, они перекрывают необычайно широкий диапазон параметров плазмы.

Одним из важнейших параметров плазмы является концентрация электронов. К числу стандартных методов измерения концентрации электронов в плотной плазме относятся обычная оптическая и голо-графическая интерферометрия, основанные на определении показателя преломления плазмы по сдвигу интерференционных полос.

Эти методы при использовании в качестве источников света лазеров видимой области спектра, позволяя проводить измерения в достаточно широком интервале электронных концентраций, имеют, тем не менее, сравнительно невысокую чувствительность. В частности, в качестве импульсного источника света при получении интер-ферограмм или голограмм плазмы, создаваемой в импульсных плазменных установках, как правило, применяется рубиновый лазер с модулированной добротностью (Л = 0.694 мкм). При этом нижний предел измеримых значений ne L (Ne — концентрация электронов, L — толщина плазмы) в типичных случаях составляет ~ 10″ ^ смТ^ С другой стороны, применение микроволновой диагностики ограничивается сверху эффектом запирания излучения для частот ниже плазменной частоты. Поэтому использование методов СВЧ в сантиметровом диапазоне позволяет изучать плазму с плотностью электронов, не превышающей ~ 10^ см73 а применение миллиметрового и суб.

Т4 -Ч миллиметрового диапазонов ограничено плотностью ~ 10 см. Таким образом, для плазмы сравнительно небольших размеров остается трудно поддающимся исследованию оптическими методами интервал электронных концентраций IO*4^ ^ 10^ см" 3. В качестве примеров можно привести такие плазменные объекты, как лазерная плазма, тета-пинч, плазменный фокус, плазма сильноточного диода и др.

Данный пробел можно ликвидировать, используя прямо пропорциональную зависимость чувствительности интерферометрического и голографического методов к измерению концентрации электронов от длины волны зондирующего излучения. Этим и объясняется возросший в последние годы интерес к разработке интерференционных и голог-рафических методов диагностики плазмы в инфракрасном (Ж) диапазоне.

Переход в ИК область спектра открывает еще ряд других интересных приложений голографической методики. Перспективным является применение Ж голографии для обнаружения, визуализации и исследования характера, формы, размеров и объемной структуры внутренних неоднородностей, разрушений и прочих дефектов в материалах, непрозрачных для видимого света, но прозрачных для ИК излучения. Примерами таких материалов, важных для современной ИК оптики, лазерной техники и радиоэлектроники, служат германий, арсенид галлия и др.

Появляется возможность применения ИК голографической интерферометрии для точного сравнения формы поверхности деталей со стандартными или эталонными образцами. В самом деле, в масштабе таких длин волн большинство поверхностей являются гладкими, что позволяет непосредственно сравнивать волновые фронты, рассеянные двумя различными объектами.

Однако распространение методов голографии на ИК диапазон сталкивается с существенными трудностями, связанными, в первую очередь, с непригодностью обычных регистрирующих сред, широко используемых в видимой области спектра, а также с необходимостью создания источников когерентного излучения с выходными характеристиками, пригодными для целей ИК голографии. Наиболее известными когерентными источниками света в ИК диапазоне являются СС^-лазеры с длиной волны излучения Я =10.6 мкм.

Настоящая диссертация посвящена разработке методики импульсной ИК голографии и голографической интерферометрии в области 10.6 мкм, а также ее применению для исследования лазерной плазмы. Диссертация состоит из четырех глав.

В главе I обосновывается перспективность применения ИК голографической интерферометрии на длине волны Л = 10.6 мкм для измерения концентрации электронов в плазме умеренной плотности. Показано, что использование в качестве источника света СС^-лазера позволяет повысить чувствительность метода приблизительно в 15 раз по сравнению с рубиновым лазером и довести нижний предел диапазона измеримых значений Ne/L до ~ 2.10*^ см7^ Кроме того, указывается на возможность приписывать во многих случаях весь измеряемый сдвиг интерференционных полос практически только электронам плазмы.

Дан обзор ряда экспериментальных работ по ИК интерферометрии и голографии, связанных с разработкой вопросов методики, а также ее приложениями.

Глава П посвящена разработке методики ИК голографии в области 10.6 мкм. Описана конструкция и исследованы характеристики импульсного (^-лазера с двойным поперечным разрядом, использовавшегося для записи Ж голограмм. Предложены и исследованы но-ные регистрирующие среды для ИК голографии. Подробно приводятся их характеристики, исследована динамика процесса регистрации голограмм, выяснены механизмы записи.

В главе Ш описываются исследования лазерной плазмы. Приводятся результаты измерений методом ИК голографической интерферометрии на длине волны 10.6 мкм пространственных профилей концентрации электронов в лазерной плазме на твердой мишени в вакууме при интенсивностях излучения ~ ю10 — 10″ Вт/см^,.

Кратко излагаются основные сведения о лазерной искре в газах. Особое внимание уделяется поздним стадиям развития искры, которые рассматриваются по аналогии с явлением сильного взрыва. Описываются выполненные нами эксперименты по ИК голографическим исследованиям поздних стадий лазерной искры в воздухе. Обосновывается применимость однодлинноволновой методики для измерения электронной концентрации в данных условиях. Изложены основы количественной обработки интерферограмм осесимметричной плазмы с использованием обращения Абеля. Даны определенные таким способом пространственно-временные распределения концентрации электронов в плазме искры. Приведены полученные методом теневой фотографии данные по распространению ударной волны (УВ), возникающей в искре. Результаты сравниваются с теорией распространения взрывной волны. Изложен эксперимент по взаимодействию ударной волны с распадающейся плазмой лазерной искры в воздухе.

В главе 1У дано описание методики объемной ИК голографии в области 10.6 мкм, позволяющей получать голограммы произвольных трехмерных объектов. Приведены расчеты и экспериментальные данные по повышению продольного разрешения в объемной ИК голографии. Описаны эксперименты с модельными трехмерными объектами. Изложены предварительные экспериментальные результаты применения данной методики для обнаружения и исследования внутренних повреждений в ИК оптических материалах.

В заключении изложены основные выводы работы и определены возможные области применения ИК голографии.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика ИК голографии на длине волны 10.6 мкм. а) Электрические и оптические характеристики импульсного СОз-лазера с двойным поперечным разрядом как источника света для ЙК голографии. б) Новые регистрирующие среды для Ж голографии с улучшенными характеристиками.

2. Экспериментальная реализация методики ИК голографической интерферометрии для исследования пространственно-временных распределений концентрации электронов в лазерной плазме.

3. Объемная ИК голография и возможность ее применения для исследования внутренних неоднородностей и разрушений в непрозрачных твердых телах.

Материалы диссертации опубликованы в работах /35,48−50,5964,75−84, Пб./ и были доложены на УП Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976), на ХП Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Берлин, ГДР, 1977), на П Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Харьков, 1977), на Ш Всесоюзной конференции по голографии (Ульяновск, 1978), на ХП Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (М0сква, 1978), на Х1У Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Гренобль, Франция, 1979), на IX Европейской конференции по УТС и физике плазмы (Оксфорд, Англия, 1979), на Международной конфеV ренции по физике плазмы (Нагоя, Япония, 1980), на Ш Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Дубна, 1983), на 1У Всесоюзной конференции по голографии (Ереван, 1982), на Международной конференции «Лазеры 82» (Новый Орлеан, США, 1982) и Международной конференции по физике плазмы (Лозанна, Швейцария, 1984).

По результатам работы получены авторские свидетельства /35,61/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении кратко сформулируем основные результаты, полученные в диссертации,.

1. Разработана методика импульсной ИК голографии и голографической интерферометрии на длине волны Я = 10,6 мкм, позволившая: а) повысить чувствительность к измерению концентрации электронов в плазме в 15 раз по сравнению с длиной волны рубинового лазера и довести нижний предел диапазона измеримых значений.

— j TR е L до — 2.10 см. Данная область концентраций представляет значительный интерес при исследовании таких практически важных плазменных объектов, как лазерная плазма, 0- -пинч, плазменный фокус, плазма сильноточного диода и др.- б) понизить чувствительность к измерению атомной концентрации в 15 раз по сравнению с длиной волны рубинового лазера, что дает возможность во многих случаях приписать измеряемые сдвиги интерференционных полос практически только электронной компоненте плазмы. Тем самым удается решить проблему разделения вкладов электронов и тяжелых частиц плазмы в суммарный сдвиг полос, не прибегая к использованию двух длин волн,.

2. Создана аппаратура для реализации данной методики. Построен импульсный COg-лазер с двойным поперечным разрядом, с пред-ионизацией на катоде. Исследованы его электрические и оптические характеристики и отработаны режимы работы, наиболее пригодные для записи ИК голограмм. соотношением компонент рабочей смеси газов и давлением. Экспериментально найдены условия, ограничивающие энергию излучения ларазряде определяется зера. Показано, что для достижения максимальной эффективности разряда необходим соответствующий подбор состава смеси, ее давления и напряжения батареи конденсаторов. б) Исследована зависимость формы и длительности импульса и энергии излучения от состава смеси, что позволило выбрать два режима работы лазера. Первый режим обеспечивает временное разрешение голографической установки ос 1−2 мкс и максимальную энергию излучения, равную 32 Джвторой же — временное разрешение cs 100 не при энергии 10−12 «Вд, в) Показано, что форма волнового фронта использовавшегося СО2-лазера характеризуется высокой степенью правильности и очень хорошей воспроизводимостью. Длина когерентности излучения лазера не менее нескольких десятков сантиметров, размер области пространственной когерентности не менее I см.

3. Предложены, успешно испытаны и исследованы новые регистрирующие среды для ИК голографии: полиметилметакрилат (ПММА), триацетат целлюлозы (ТАЦ) и халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП). а) Изучены временные и экспозиционные характеристики процесса записи ИК голограмм в полимерных материалах — ПММА и ТАЦ. Полученные результаты указывают на относительно быструю запись фазовой голограммы вследствие теплового воздействия ИК излучения и значительно более медленное снижение дифракционной эффективности, обусловленное в случае ПММА теплопроводностью, а в случае ТАЦ — также разрушением поверхностного слоя материала. Выяснен характер такого разрушения. Установлено, что экспозиционная характеристика ТАЦ имеет довольно широкое плато, что позволяет получать высококачественные голограммы даже при использовании существенно неоднородных пучков. б) Выяснено, что общая длительность процесса регистрации голограмм в ПММА и ТАЦ на 1−2 порядка превосходит длительность импульса излучения С (^-лазера, что свидетельствует о тепловом механизме записи ИК голограмм. в) Показано, что по ряду характеристик ПММА и ТАЦ существенно превосходят известные ранее регистрирующие среды для ИК области спектра, что обеспечивает получение высококачественных Ж голограмм. К преимуществам данных промышленных полимерных материалов относятся также отсутствие необходимости в специальном изготовлении и какой-либо предварительной или последующей обработке, их простота, доступность и дешевизна,.

4. Методика Ж голографической интерферометрии на длине волны X =10.6 мкм была впервые применена для диагностики плазмы. Использовался метод двух экспозиций, а также метод двух голограмм, а) Показана возможность применения методики для исследования лазерной плазмы на твердой мишени в вакууме, создаваемой импульсным TEA СОз-лазером при интенсивностях излучения 10″ ^ -10** Вт/см2. Получены пространственно-временные распределения концентрации электронов. б) Исследованы поздние стадии развития лазерной искры в воздухе, создаваемой рубиновым лазером при интенсивностях, близких к пробойной, для времен > I мкс после пробоя. Впервые измерены пространственные профили концентрации электронов в плазме искры для интервала времен 1−10 мкс. В частности, показано, что к моменту времени ~Ь — 10 мкс концентрация электронов падает до предела чувствительности Ж голографической интерферометрии. в) Проведен эксперимент по взаимодействию слабых ударных волн с плазмой лазерной искры на поздних стадиях ее развития.

Обнаружен эффект диссипации УВ в распадающейся плазме искры" г) Показано, что использование ыетода двух голограмм улучшает качество ИК голографических интерферограмм по сравнению с методой двух экспозиоий. Особенно высокое качество полос получается на муаровых картинах, возникающих при наловении двух голограмм и содерващих информацию, идентичную получаемой с восстановленных интерферограмм.

5. Разработана методика объемной ИК голографии в области 10.6 мкм и на модельных объектах показана возмовность ее применения для обнаружения и исследования внутренних неоднородностей и разрушений в материалах, непрозрачных для видимого света. Проведен анализ факторов, влияющих на продольное разрешение метода. Достигнуто продольное разрешение ^ 3 мм. х.

X X.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность кандидатам физико-математических наук Бархударову Э. М. и Челидзе Т. Я. за руководство работой, ценные указания и обсуждение результатов. Искренне благодарю доктора физико-математических наук, профессора Н. Л. Цинцадзе за поддержку и внимание к работекандидата физико-математических наук М. И. Тактакишвили за большую помощь и ценные советы при проведении экспериментовмладшего научного сотрудника М. О. Мдивнишвили за участие в создании установки и помощь в проведении экспериментовмладшего научного сотрудника Г. В. Гелашвили за участие в отдельных этапах работ:

Обнаружен эффект диссипации УВ в распадающейся плазме искры. г) Показано, что использование метода двух голограмм улучшает качество ИК голографических интерферограмм по сравнению с методом двух экспозиций. Особенно высокое качество полос получается на муаровых картинах, возникающих при наложении двух голограмм и содержащих информацию, идентичную получаемой с восстановленных интерферограмм.

5. Разработана методика объемной ИК голографии в области 10.6 мкм и на модельных объектах показана возможность ее применения для обнаружения и исследования внутренних неоднородностей и разрушений в материалах, непрозрачных для видимого света. Проведен анализ факторов, влияющих на продольное разрешение метода. Достигнуто продольное разрешение ^ 3 мм. х х х.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность кандидатам физико-математических наук Бархударову Э. М. и Челидзе Т. Я. за руководство работой, ценные указания и обсуждение результатов. Искренне благодарю доктора физико-математических наук, профессора Н. Л. Цинцадзе за поддержку и внимание к работекандидата физико-математических наук М. И. Тактакишвили за большую помощь и ценные советы при проведении экспериментовмладшего научного сотрудника М. О. Мцивнишвили за участие в создании установки и помощь в проведении экспериментовмладшего научного сотрудника Г. В. Гелатвили за участие в отдельных этапах работы.

— 126.