ОТДЕЛ ОПТИКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

50 лет

(историческая справка)

 

 

1957 год – сформирован Сектор пламён в составе лаборатории Люминесценции.

К моменту создания сектора группой Н.Н.Соболева (лаб. Спектроскопии, затем лаб. Люминесценции) были начаты измерения температуры пламен, взрывов и факелов реактивных двигателей, дугового разряда, поставлены задачи оптики и спектроскопии газодинамических процессов, задачи исследования структуры стеклообразующих окислов как компонентов ракетных топлив.

В продолжение этих работ[1] под руководством Н.Н.Соболева в секторе в 1957–1959 гг. созданы и развиты:

– мощные дуговые источники и комплекс спектральной аппаратуры высокого разрешения [1958–2];

– установка с ударной трубой, начаты измерения температур в ударных волнах [1958–5, 1959–2];

– натурные измерения температур факелов двигателей, в т.ч. впервые для ЖРД [1959–3,4].

 

1959 год – сектор преобразован в лабораторию Оптики низкотемпературной плазмы. Руководители лаборатории: 1959–1986 гг. – Н.Н.Соболев, 1986–1987 гг. – В.С.Зуев, 1987–1990 гг. – В.Н. Очкин. Лаборатория существенно расширила тематику, создается вспомогательная радиотехническая группа (А.А.Сапронов). До середины 1960-х годов решаются, в основном, следующие задачи:

1. Измерения сил осцилляторов электронных переходов двухатомных молекул:

– при возбуждении в дуговом разряде [1963–1…7];

– по свечению и поглощению за падающей и отраженной ударными волнами [1964–3];

2. Определение состояния сложных газовых смесей за ударной волной [1962–2,3];

3. Исследование условий существования локального термодинамического равновесия (ЛТР) в дуговом разряде [1964–2] и за ударной волной [1964–3]– обнаружены существенные нарушение ЛТР;

4. Развиваются экспериментальные методы определения концентраций заряженных частиц – по контурам водородных линий в дуговом разряде [1959–1,7] и в плазме за ударной волной [1962–1,2,8], измеряются сечения возбуждения ионов электронами [1970–15];

5. Изучение колебательных спектров и структуры стекол с боратными и силикатными окислами [1960–2,3].

 

К середине 1960-х годов в тематике лаборатории делается акцент на исследования состояний существенно неравновесной плазмы и газов. Это следует логике предшествующих результатов, мировым тенденциям, в частности, интересам развития только что появившихся газовых лазеров. Усилия сосредоточены на наиболее мощных лазерах – на переходах молекул СО2 и СО и ионов Аr+. Из основных циклов работ в 1960–1980 годы в этом направлении укажем:

1. Формулировка основных идей относительно механизма работы СО2 лазера – возбуждение колебательных мод молекул электронами и их разрушение тяжелыми частицами с различной скоростью для разных мод [1966–5, 1967–1]. В дальнейшем это подтвердилось в результате многочисленных исследований в мире и стало общепризнанным.

2. Определено, что механизм работы СО-лазеров основан на процессах обмена и релаксации энергии ангармонических молекул-осцилляторов, возбуждаемых электронами [1973–1,3] – также признанный приоритет.

3. Детально исследован механизм образования инверсии в сильноточной дуге активной среды аргонового лазера [1967–6, 1969–1]. Достигнуто современное описание.

4. Измерены немаксвелловские распределения электронов по энергиям в активных средах молекулярных лазеров [1970–10]. В ионных лазерах измерены энергетические распределения электронов и ионов [1966–4].

5. Выяснен вопрос о деградации активных сред молекулярных лазеров. Это одни из первых работ в мире по неравновесной плазмохимии. Разделена роль газофазных и гетерогенных процессов, что указало путь создания долгоживущих, т.н. «отпаянных» лазеров [1969–3, 1970–12, 1974–1, 1976–4…6, 1977–10].

6. Совместно с промышленностью выполнены технические исследования и организован выпуск в стране аргоновых и молекулярных лазеров различного типа.

7. Впервые в стране создан газодинамический СО2 лазер на традиционных переходах [1970–3]. Исследования процессов в условиях ударных волн позволили реализовать новый механизм инверсии на переходах с участием вырожденных колебательных мод многоатомных молекул в новых областях спектра [1978–11] и распространить его на стационарные потоки, в т.ч. в комбинации с электрическим возбуждением [1981–15].

8. Ведутся работы по компактным волноводным молекулярным лазерам с возбуждением постоянным и ВЧ током. Достигнута рекордная энергетика систем [1992–8].

9. Разрабатываются методы управления спектрами молекулярных лазеров. Изучены принципы работы частотно-селективных элементов, включая дифракционные решетки, пленочные и дифракционные отражательные интерферометры в резонаторах [1992–2]. Предложены методы селекции лазерных линий и резонаторных мод, методов дискретной и плавной перестройки частоты генерации с помощью штарковских ячеек [1992–3].

 

Параллельно с работами непосредственно в интересах физики лазеров в 1960–1980 годы прорабатываются общие фундаментальные проблемы неравновесной молекулярной плазмы:

1. Развивается концепция парциальных трансляционных, вращательных, колебательных температур в основных состояниях и в состояниях с возбужденной электронной оболочкой [1985–1].

2. Разработан метод обращения линий в ИК области для измерения колебательных температур двух- и много-атомных молекул в отсутствие равновесия степеней свободы молекул [1972–11].

3. Предложено использование спектров электронных переходов в видимой области для измерения колебательных температур в основных состояниях двухатомных молекул [1970–7, 1974–1], основанное на аналогии принципа Франка-Кондона для оптических переходов и для переходов под действием электронного удара.

4. Установлена природа аномалий интенсивностей во вращательной структуре электронно-колебательных спектров молекул при наличии нескольких параллельных каналов возбуждения. Интерпретировано сосуществование нескольких больцмановских ансамблей, чередование интенсивностей в тонкой структуре спектра, не связанное с ядерным спином и ряд других физических эффектов [1978–3, 1985–1].

5. Выявлено различие правил отбора на вращательные квантовые числа при оптических переходах и переходах под действием электронного удара. При возбуждении электронной оболочки электрон может сообщать молекуле значительный момент импульса. Установлены ограничения метода измерения температуры нейтрального газа плазмы по интенсивностям во вращательной структуре электронных спектров молекул [1978–1,6, 1980–4, 1985–1].

6. Изучено аномальное доплеровское уширение спектральных линий, возбуждаемых электронами и тяжелыми возбужденными частицами, развиты методы нахождения распределений нейтральных частиц по скоростям, описан процесс релаксации неравновесных скоростей в термостате максвелловских частиц, обобщено описание Ландау–Теллера на случаи больших отклонений от равновесия [1980–1, 1981–3, 1985–1].

 

В эти же годы поставлены работы по изучению взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами. В рамках этих исследований:

1. Развиты методы спектроскопии рассеяния Мандельштама–Бриллюэна применительно к новым лазерным кристаллам и фианитам. Определены упругие константы широкого класса кристаллов [1977–4, 1985–13].

2. В экспериментах по воздействию лазерного излучения на нематические жидкие кристаллы (НЖК) обнаружено новое нелинейнооптическое явление светоиндуцированного ориентационного фазового перехода Фредерикса [1980–2, 1982–1]. Явление имеет низкий порог и наблюдается в свете маломощных непрерывных лазеров. Эффективная константа нелинейности достигает величин ε2~0.1 см3эрг–1, что на 7-9 порядков превышает керровскую ориентационную нелинейность в изученных ранее средах. Начато изучение сопутствующих повороту молекул (директора НЖК) явлений – гигантской аберрационной самофокусировки с кольцевой структурой [1981–2, 1982–3], периодических и стохастических колебаний директора [1984–2, 1985–4], трансформации поляризации света (нелинейной оптической активности) [1986–3]. В холестерических ЖК обнаружены и исследованы светоиндуцированные решетки, возникающие из-за изменения шага спирали кристалла [1987–3, 1992–12].

 

В 1990 году лаборатория Оптики низкотемпературной плазмы преобразована в одноименный отдел.

К этому времени работы по тематике, связанной с использованием ударных труб, были, в основном, завершены и часть сотрудников начала новые работы по изучению воздействий лазерного излучения на твердое тело, выделившись из отдела в самостоятельную группу.

Начиная с этого времени в Отделе начались исследования по лазерной спектроскопии неравновесных систем:

1. Созданы новые лазерные спектрометры, в т.ч. на основе мощных импульсных лазеров для спектроскопии КАРС, серия полупроводниковых диодных спектрометров в видимой, ближней ИК и средней ИК областях спектра для абсорбционных измерений с высокими разрешением и чувствительностью[1987–1, 1988–2,4].

2. Проведены прямые исследования колебательно-вращательных распределений ряда молекул в основных электронных состояниях в плазме диодными и КАРС методами. Проанализированы применимость приближения парциальных температур и его нарушения из-за ангармоничности в двух- и трех- атомных молекулах [1992–6].

3. Комбинация классических эмиссионных и лазерных методов расширила и выявила новые возможности использования электронных спектров в видимой области для измерения колебательных температур основных состояний. Измерены скорости колебательной релаксации электронно-возбужденных молекул. Указан подход, расширяющий пределы измерений по давлению за счет использования молекул с диагональной матрицей факторов Франка-Кондона [1992–6, 1994–4].

4. Методом диодной абсорбционной спектроскопии обнаружены эффекты изменения изотопного состава молекул плазмообразующего газа в разряде при нерезонансном колебательном обмене [1991–3, 1994–3].

5. Исследовано невырожденное четырехволновое рассеяние, в частности, с участием постоянных и низкочастотных электрических полей. На основе полученных результатов предложен способ локальных измерений величин и направленностей внешних (не световых) электрических полей. В отличие от всех ранее разработанных методов (оптических и контактных), здесь практически снимается важное ограничение сверху по давлению газа. Проведены измерения в различных условиях в плазме и газе [1995–4, 1999–4].

6. Установлены новые закономерности ударного уширения линий в структуре колебательных спектров молекул. Для адекватного описания наблюдаемых зависимостей ширин от температуры и номера вращательного уровня обобщена известная классическая теория и учтено наличие орбитальных траекторий сталкивающихся частиц [2002–5].

7. Высокочувствительные методы поглощения, отработанные при исследованиях высоковозбужденных частиц в плазме модернизированы и расширены для применений в газовом анализе, в т.ч. для целей экологии (малые примеси) и медицины (изотопный анализ выдоха) [2007–7].

 

Одновременно с этим проводятся работы по общей физике, технике и приложениям низкотемпературной плазмы:

1. Предложены и изучены методы формирования мощных поверхностных разрядов заданной пространственной конфигурации в качестве импульсных открытых источников высокой яркости. Используются высокоомные (разряды взрывного типа) и низкоомные (разряды скользящего типа с замыканием током проводимости) ферриты. Условия инициирования разрядов малочувствительны к условиям и фазовому состоянию окружающей среды. По оптическим параметрам близки к взрывающимся проволочкам (яркостная температура до 40 кК), но работают в частотном режиме с большим ресурсом [1984–3, 1991–7, 1993–2]. Применены для оптической накачки иодных и эксимерных лазеров [1997–10,11].

2. Изучены физические свойства емкостного ВЧ разряда как активной среды щелевых волноводных СО2 лазеров. Построена теория и численные схемы оптимизации (вкладываемая мощность, частота, геометрия и др.) лазерных параметров. Достигнута рекордная энергетика систем [1996–5, 1997–7]. Изучена расходимость излучения щелевых лазеров, методы управления ею [2000–15].

3. Созданы и исследованы щелевые несамостоятельные разряды, использующие комбинацию возбуждения постоянным током с поддержкой импульсно-периодическим емкостным разрядом. Создана модель разряда, описывающая его электрические характеристики. Указанные разряды применены для СО2 лазеров с высокой удельной мощностью (15 кВт/см2) и КПД (до 20%) [2003–2]. В интересах водородной энергетики разряды оптимизированы для проведения оптимального разложения двуокиси углерода. Энергозатраты на разложение уменьшены примерно на порядок по сравнению с разложением в разряде постоянного тока [2004–7]. Разряды применены также для генерации синглетного кислорода не химическим способом [2006–14,15].

4. Создан новый мощный компактный волноводный квазинепрерывный рекомбинационный лазер на переходах ксенона в ближней ИК области. В условиях емкостного ВЧ возбуждения и неоднородной рефракции обнаружены и описаны волноводные моды нового типа, позволяющие концентрировать световое поле в пространственной области оптимального возбуждения [1995–7, 1996–4, 1997–5, 1998–3].

5. Разработаны компактные неклассические спектрометры в УФ области с телеметрией и повышенными требованиями по устойчивости к внешним воздействиям. Предназначены для исследований плазмы верхней атмосферы в составе бортовой аппаратуры [2004–6].

6. Предложены и созданы протяженные открытые источники пучков электронов (единицы-десятки кэВ) непосредственно в газовой среде при средних (десятки-сотни Торр) давлениях. Плотность тока 60 А/см2 с поверхности диэлектрического катода. Использованы для накачки импульсного лазера на ксеноне убегающими электронами при частоте повторения до 10 кГц при пиковой мощности 15 Вт [2003–3].

7. Достигнуто продвижение в понимании классической проблемы о природе явления нормальной плотности тока в газовом разряде. В основе лежит зависимость коэффициента электрон-ионной эмиссии от поля. Нормальный режим устанавливается из-за увеличения эмиссии в поле катодного падении по сравнению с однородным полем темного разряда. Обнаружена и объяснена зависимость нормальной плотности от длины разряда в коротких промежутках [2004–8].

 

Отдел продолжает исследования нелинейных взаимодействий лазерного излучения с жидкими кристаллами:

1. Развита теория динамических режимов и бистабильностей при световой ориентации НЖК [1993–12].

2. Исследована световая ориентация НЖК с примесями красителей (~ 0.1%) еще на два порядка увеличивающих “гигантскую” нелинейность НЖК, появляется возможность управления ее знаком [1995–5, 2000–14]. Предложен механизм поворота директора поглощающих НЖК, связанный с нецентральностью межмолекулярных сил [1998–2]. Усложнение структуры поглощающих молекул (полимеры) приводит к дальнейшему росту константы нелинейности, которая для гребнеобразных полимеров достигает величины ε2~10 см3эрг-1 [2007–10].

3. Обнаружены ориентационные фазовые переходы НЖК при совместном воздействии на НЖК света и внешнего электрического поля [2004–3]. В присутствии постоянного поля самовоздействия светового пучка уже при миливаттных мощностях приводят к сложной аберрационной структуре из-за фоторефракции с возникновением заряженного слоя вблизи поверхности [2006–7, 2006–13].

 

Школу Сектора, Лаборатории и Отдела, помимо большого числа аспирантов и студентов, прошло более 100 сотрудников.