Новые возможности применения оптических разрядов в аэрофизическом эксперименте


Просмотр статьи
PDF, 1,1 МБ

New Possibilities for Applying Optical Discharges to Aerophysical Experiments

Newly developed technologies for sustaining optical discharges (OD) at laser intensities below optical breakdown threshold provide possibilities for expanding their application in aerophysical experiments. High density of the laser power dissipation and high temperature of OD provide possibility to localize high power density energy deposition in any required place. The paper discuss some examples of the use of continuous and periodic pulsed OD for production of high enthalpy gas flows, high energy atomic flow generation, stabilization inductively coupled RF discharges, hyper sound flow control and others.
High brightness plasma light sources based on OD are now most developed to be directly applied for absorption spectroscopy purposes or as point spectral light source for optical density gradients visualization in desired spectral band from UV to IR. Small linear dimensions of the OD plasma together with very high brightness could substantially improve sensibility and resolution of optical devices, providing also the possibility of efficient application of optical fibers for guiding the probe light.
Authors have developed advanced technique for OD plasma stabilization in crossed focused beams of the fiber coupled near-IR laser diode modules, designed and constructed the prototype of a broadband laser plasma light source for various applications. The device provides possibilities for realization continuous, periodic pulsed and hybrid regimes of sustaining OD plasma, which may extend possible areas of its application. Design and characteristics of the OD plasma light source are described, possible applications are discussed.

optical discharge, COD, POD, laser plasma light source, laser plasma applications

Владимир Павлович Зимаков, Владимир Алексеевич Кузнецов, Сергей Юрьевич Лаврентьев, Николай Германович Соловьев, Андрей Николаевич Шемякин, Андрей Олегович Шилов, Михаил Юрьевич Якимов

Том 17, выпуск 2, 2016 год



Развитые к настоящему времени технологии организации оптических разрядов при интенсивностях лазерного излучения ниже порога оптического пробоя позволяют рассчитывать на расширение возможностей их применения для целей аэрофизического эксперимента. В докладе обсуждаются примеры использования оптических разрядов для создания высокоэнтальпийных потоков газа, генерации пучков атомов с высокой энергией, управления потоками при сверхзвуковом обтекании и другие.
Наиболее близкими к реальному применению для решения, например, задач спектроскопии или визуализации градиентов плотности в потоках газа на сегодняшний день могут считаться плазменные источники излучения на основе оптического разряда. Малые линейные размеры плазмы оптического разряда в сочетании с очень высокой яркостью позволяют повысить чувствительность и разрешающую способность оптических приборов, а также эффективно использовать волоконную оптику для подвода излучения.
Авторы разработали оригинальный метод стабилизации плазмы оптического разряда в скрещенных сфокусированных пучках диодных лазерных модулей, отличающийся рядом преимуществ, и создали на его основе широкополосный источник излучения. Устройство позволяет реализовать непрерывный, импульсно-периодический и гибридный режимы поддержания оптического разряда, расширяющие диапазон его применения. Приводятся характеристики разработанного источника излучения и обсуждаются возможности его применения в экспериментальной технике.

оптический разряд, НОР, ИПОР, лазерно-плазменный источник излучения, применение оптических разрядов

Владимир Павлович Зимаков, Владимир Алексеевич Кузнецов, Сергей Юрьевич Лаврентьев, Николай Германович Соловьев, Андрей Николаевич Шемякин, Андрей Олегович Шилов, Михаил Юрьевич Якимов

Том 17, выпуск 2, 2016 год



1. Райзер Ю.П. О возможности создания светового плазмотрона и необходимой для этого мощности // Письма в ЖЭТФ, 1970, Т. 11(3). С. 195-199.
2. Генералов Н.А., Зимаков В.П., Козлов Г.И., Масюков В.А., Райзер Ю.П. Непрерывно горящий оптический разряд // Письма в ЖЭТФ, 1970, Т. 11(9). С. 447-449.
3. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов / М.: Наука, 1974. 307 c.
4. Герасименко М.В., Козлов Г.И., Кузнецов В.А. Лазерный плазмотрон // Квантовая электроника, 1983, Т. 10(4). С. 709-717.
5. Генералов Н.А., Захаров А.М., Косынкин В.Д., Якимов М.Ю. Устойчивость непрерывного оптического разряда в потоке атмосферного воздуха // Физика горения и взрыва, 1986, Т. 22(2). С. 91-94.
6. Суржиков С.Т. Физическая механика газовых разрядов / М.: МГТУ им. Баумана. 2006. 640 с.
7. Keefer D.R. Laser sustained plasmas // In Laser-induced plasmas and applications. Radziemski L.J., Cremers D.A., Eds. (NY: Marcel Dekker, 1989) P. 169-206.
8. Алексеева И.В., Будник А.П., Жеребцов В.А., Зродников А.В., Суржиков С.Т. Непрерывный оптический разряд в термоэмиссионном преобразователе энергии лазерного излучения в электрическую энергию // Письма в ЖТФ, 1999, Т. 25(7). С. 90-95.
9. Большаков А.П. , Востриков В.Г. , Дубровский В.Ю. , Конов В.И. , Косырев Ф.К. , Наумов В.Г. , Ральченко В.Г. Лазерный плазмотрон для бескамерного осаждения алмазных пленок // Квантовая электроника, 2005, Т. 35(4). С. 385-389.
10. Bagayev S.N., Grachev G.N., Ponomarenko А.G., Smirnov А.L, Demin V.N., Okotrub A.V., Baklanov А.M., Onischuk А.А. A new method of laser-plasma synthesis of nanomaterials. First results and prospects // Proc. SPIE, V. 6732, 2007. Р. 673206. doi:10.1117/12.751881
11. Cross J.B., Cremers D.A. High kinetic energy (1–10 eV) laser sustained neutral atom beam source // Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. B, 1986, V. B13(1-3). P. 658-662. doi:10.1016/0168-583X(86)90586-0
12. Matsui M., Yoneda S., Komurasaki K., Yamagiwa Y., Arakawa Y. Atomic-oxygen-flow generation by laser-driven plasma wind tunnel as low-earth-orbit-environment simulator // AIAA Journal, 2014, V. 52(8), P. 1806-1810. doi:10.2514/1.J052991
13. Girard J.M., Lebehot A., Campargue R. Generating conditions of a laser-sustained argon plasma jet // J. Phys. D: Appl. Phys., 1993, V. 26(9). P. 1382-1393. doi:10.1088/0022-3727/26/9/007
14. Matsui M., Shinmi K., Komurasaki K., Arakawa Y. Enthalpy distributions of laser driven high enthalpy wind tunnel // AIAA Paper, P. 2008-4133. doi:10.2514/6.2008-4133
15. Л. Мирабо, Ю. П. Райзер, С. Т. Суржиков C.T. Лазерные волны горения в соплах Лаваля // ТВТ, 1995, Т. 33(1), С. 13–23.
16. Myrabo L. N., Raizer Yu. P. Laser-Induced Air Spike for Advanced Transatmospheric Vehicles // AIAA Paper, 1994, P. 94-2451. doi:10.2514/6.1994-2451
17. Туманов Ю. Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее / М.: Физматлит, 2003. 760 с.
18. Inoue T., Uehara S., Komurasaki K., Arakawa Y. Inductively coupled plasmas supported by laser plasmas for high enthalpy flow // AIAA Paper, 2005, P. 2005-950. doi:10.2514/6.2005-950
19. Smith D.K., et al. Laser Driven Light Source / US patent #7435982, 2008; #8309943, 2012.
20. Horne S., Smith D., Besen M., Partlow M., Stolyarov D., Zhu H., Holber W. A novel high-brightness, broadband light-source technology from the VUV to the IR // Proc. SPIE, V. 7680, 2010. P. 76800L. doi:10.1117/12.850269
21. Анциферов П.С., Кошелев К.Н., Кривцун В.М., Лаш А.А. Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения / Приоритет 11.04.2013, патент RU2534223, 2013.
22. Arp U., Vest R., Houston J., Lucatorto T. Argon mini-arc meets its match: use of a laser-driven plasma source in ultraviolet-detector calibrations // Applied Optics, 2014. V. 53(6), P. 1089-1093. doi:10.1364/AO.53.001089
23. Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Shemyakin А.N., Shilov A.O., Yakimov M.Yu., Zimakov V.P. Bistable behavior of a continuous optical discharge as a laser beam propagation effect // Proc. SPIE, V. 8600, 2013. P. 860002. doi:10.1117/12.2003658
24. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Взаимодействие лазерного излучения ближнего ИК-диапазона с плазмой непрерывного оптического разряда // Физика плазмы, 2016, Т. 42(1), С. 74-80. doi:10.7868/S0367292115110104
25. Райзер Ю.П. Физика газового разряда / Долгопрудный, МО: Интеллект, 2009. 736 c.
26. Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Поддержание плазмы в ксеноне импульсно-периодическим лазерным излучением // Физика плазмы, 2015, Т. 41(10), С. 929932. doi:10.7868/S036729211510008X
27. Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Якимов М.Ю. Способ генерации широкополосного оптического излучения с высокой яркостью // Приоритет 18.08.2014, патент RU2571433, 2015.
28. Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Якимов М.Ю. Источник широкополосного оптического излучения с высокой яркостью // Приоритет 16.03.2015, патент RU157892, 2015.
29. Зимаков В.П., Кузнецов В.А., Рудой И.Г., Соловьев Н.Г., Сорока А.М., Шемякин А.Н., Шилов А.О., Якимов М.Ю. Импульсно-периодические и комбинированные режимы поддержания оптических разрядов // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, т. 16, вып. 2, 2015. http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-2/articles/548/