Создание протяженных ионизованных каналов в атмосферном воздухе

Создание протяженных ионизованных каналов в атмосферном воздухе импульсами УФ излучения для управления высоковольтными электрическими разрядами и высоконаправленной транспортировки СВЧ-излучения.

Плазменные каналы, создаваемые лазерным излучением в атмосферном воздухе или некоторых других газах, представляют большой интерес для многих фундаментальных проблем и технических применений. Среди них инициирование молнии и активная молниезащита, направленная передача СВЧ-излучения для уменьшения его естественной расходимости , лазерное ускорение электронов. В противоположность более ранним экспериментам с CO2 лазерными импульсами субмикросекундной длительности , где поглощение в плотной плазме, образующейся в процессе лавинной ионизации, ограничивало длину и сплошность канала, новые подходы на основе использования длинных УФ импульсов или ультракоротких импульсов фемтосекундной длительности позволяют создавать протяженные слабоионизованные треки в газе благодаря процессам многофотонной ионизации и/или филаментации лазерного пучка. Так как первичные электроны быстро рекомбинируют с положительными ионами и за времена ~10-50 нс прилипают к молекулам кислорода, целесообразно использование дополнительного видимого или УФ излучения, чтобы поддерживать электронную плотность в течение значительно большего времени. Следовательно, комбинация цуга ультракоротких высокоинтенсивных УФ лазерных импульсов с длинными УФ импульсами представляется достаточно привлекательной для создания и дальнейшего поддержания плазменного канала.
На лабораторной трассе до 100 м была исследована множественная филаментация УФ лазерного пучка УКИ при пиковых мощностях, более чем в 1000 раз превышающей критическую. Была измерена проводимость плазменных каналов, образованных в атмосферном воздухе при фокусировке комбинированных импульсов УФ излучения сферическим зеркалом с фокусом~8.0 м. Регистрировался сигнал фототока, обусловленный электронной компонентой фотоионизационной плазмы, которая создавалась в области дрейфа между двумя кольцевыми электродами, расположенными на расстоянии 20 см друг от друга и приложенном напряжении U=5÷22 кВ. Амплитуда тока практически была близка к нулю на фронте импульса свободной генерации и резко возрастает в момент появления УКИ. Измерения электронного фототока для 100 нс гладкого импульса в режиме свободной генерации (при перекрытой инжекции УКИ) дало величины на два порядка меньшие, чем значения фототока для модулированного лазерного импульса. Объяснением этому служит нелинейный характер фотоионизации воздуха в зависимости от интенсивности лазерного излучения. При перемещении геометрического фокуса зеркала в пределах ~ 1.0 м относительно межэлектродного промежутка сигналы фототока изменялись незначительно, что, очевидно, указывает на филаментацию лазерного пучка УКИ и дает оценку длины нелинейного распространения. Эксперименты по инициированию пробоя разрядного промежутка небольшой длины показали, что импульс свободной генерации инициирует электрический пробой промежутка длиной 4,0 см при приложенном напряжении 50 кВ, причем импульс разряда развивается с задержкой ~5 мкс относительно лазерного импульса и направление его распространения не определяется лазерным лучом. При том же приложенном напряжении комбинированный импульс с такой же энергией обеспечивает распространение разряда вдоль луча на расстояние 7 см, причем с задержкой как минимум на два порядка меньшей. Для импульсного разряда с напряжением ~400кВ максимальная длина управляемого разряда в экспериментах достигала 70 см. Формирование протяженного проводящего канала со сравнительно высокой проводимостью, поддерживаемой комбинированными УФ лазерными импульсами в течение нескольких десятков наносекунд, позволяет рассчитывать на эффективный способ создания протяженных ионизованных каналов в атмосферном воздухе для управления высоковольтными электрическими разрядами и высоконаправленной транспортировки СВЧ-излучения, в которых плотность электронов до 10¹⁵ см^-3 нарабатывается и поддерживается за счет многофотонной ионизации молекул О2 и резонансного фотоотрыва электронов от электроотрицательного иона О₂- амплитудно-модулированными УФ лазерными импульсами.

1. V.D. Zvorykin, A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, A.O. Levchenko, A.G. Molchanov,L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, N.N. Ustinovskii, Plasma Channels in Air Produced by UV Laser Beam: Mechanisms of Photoionization and Possible Applications // Neutral Particles Channeling Phenomena Channeling – 2008(S.B. Dabagov and L. Palumbo Eds.), World Scientific Publishibng Co. Pte. Ltd. 2010, pp. 813-823.
2. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, А.Г. Молчанов, И.В. Сметанин, Н.Н. Устиновский, Каналирование СВЧ-энергии в плазменных волноводах, создаваемых в атмосфере мощным УФ лазером // Краткие сообщения по физике ФИАН, № 2, 49-56 (2010).
3. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский, И.В. Сметанин, Транспортировка СВЧ-излучения в плазменных волноводах скользящих мод // Письма в ЖЭТФ, 91 (5), 244-248 (2010).
4. I.V. Smetanin, V.D. Zvorykin, A.O. Levchenko, N.N. Ustinovsky, Transfer of microwave radiation in sliding modes of plasma waveguides // J. Russian Las. Res., 31 (5), 495-508 (2010).
5. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский, Управление протяженными высоковольтными электрическими разрядами в атмосферном воздухе УФ излучением KrF лазера // Квантовая электроника, 41 (3), 227-233 (2011).
6. V.D. Zvorykin, A.O. Levchenko, I.V. Smetanin and N. N. Ustinovskii, Long-distance transfer of microwaves in sliding-mode virtual plasma waveguides // Il Nuovo Cimento, 34 C (4), 469-466 (2011).
7. A.A. Ionin, S.V. Kudryashov, A.O. Levchenko, L.V. Seleznev, A.V. Shutov, D.V. Sinitsyn, I.V. Smetanin, N.N. Ustinovsky, V.D. Zvorykin, Triggering and guiding electric discharge by a train of UV picosecond pulses combined with a long UV pulse // Appl. Phys. Letts., 100, 104105 (2012).
8. A.A. Ionin, S. I. Kudryashov, A. O. Levchenko, L. V. Seleznev, A. V. Shutov, D.V. Sinitsyn, I.V. Smetanin, N.N. Ustinovsky, V.D. Zvorykin, Triggering and guiding electric discharge by a train of ultrashort UV pulses // AIP Conf. Proc. 1464, 711 (2012)
9. V.D. Zvorykin, A.O. Levchenko, A.V. Shutov, et al., Long-distance directed transfer of microwaves in tubular sliding-mode plasma waveguides produced by KrF laser in atmospheric air // Phys. Plasmas, 19, 033509 (2012).
10. Yu.P. Voinov, V.S. Gorelik, V.D. Zvorykin, I.G. Lebo, A.O. Levchenko, N.N. Ustinovsky, Laser implantation of KTiPO4 ferroelectric nanoparticles into pores of synthetic opal placed in water // J. Russian Las. Res., 33 (1), 1-4 (2012).
11. В.Д. Зворыкин, А.А. Ионин, А.О. Левченко и др. Создание протяженных плазменных каналов в атмосферном воздухе амплитудно-модулированным УФ излучениемTi:-сапфир-KrF-лазера ГАРПУН-МТВ. Ч.2. Накопление электронов в плазме и управление электрическими разрядами // Квантовая электроника, 43 (4), 339-346 (2013).
12. A.V. Shutov, I.V. Smetanin, A. A. Ionin, A.O. Levchenko, L.V. Seleznev, D.A. Sinitsyn, N. N. Ustinovskii, V.D. Zvorykin, Direct measurement of the characteristic three-body electron attachment time in the atmospheric air in DC electric field // Appl. Phys. Letts., 103, 034106 (2013).