Плазмообразование в лазерной физике
Плазмообразование под действием лазерного излучения представляет собой процесс перехода вещества в ионизованное состояние в результате взаимодействия с интенсивным электромагнитным полем. Этот процесс может происходить как в газах, так и в твёрдых телах, жидкостях и на границах фаз, и определяется рядом фундаментальных механизмов, каждый из которых становится доминирующим в определённых условиях.
1. Фотоионизация
Фотоионизация возникает в результате прямого поглощения фотонов атомами или молекулами, влекущего за собой выбивание электронов. В зависимости от энергии фотонов и их количества, различают:
2. Аваланш- ионизация (лавинная ионизация)
Аваланш-эффект возникает после появления первых свободных электронов, которые, ускоряясь в поле лазера, сталкиваются с атомами среды и выбивают новые электроны. Этот процесс ведёт к экспоненциальному нарастанию числа носителей заряда и формированию плазмы. Аваланш- ионизация зависит от:
Эффект становится значимым при воздействии наносекундных или длиннее импульсов средней и высокой мощности.
3. Комбинированные ионизационные механизмы
На практике, особенно при фокусировке фемто- и пикосекундных импульсов, часто наблюдается смешанный режим ионизации, когда фотоионизация обеспечивает начальные электроны, а далее включается аваланш-процесс. Такая комбинация обеспечивает быстрый рост электронной плотности и переход среды в плазменное состояние.
Формирование плазмы в лазерном поле происходит при достижении определённого порога интенсивности, называемого порогом плазмообразования. Значение этого порога зависит от:
Для газов пороговые значения интенсивности обычно составляют ~10¹²–10¹⁴ Вт/см², тогда как для твёрдых тел — выше, до ~10¹⁴–10¹⁶ Вт/см² в зависимости от материала и длины волны.
1. Начальная стадия — генерация свободных электронов В течение первых фемто- или пикосекунд электронное облако формируется вследствие фотоионизации. Это первичное облако определяет возможность последующего лавинного роста.
2. Развитие лавины При наличии достаточного числа начальных электронов и длинного импульса (или серии импульсов), формируется лавинная ионизация, ведущая к стремительному увеличению плотности плазмы.
3. Плазменный разряд и расширение По достижении плотности порядка 10²¹ см⁻³ формируется оптически плотная плазма, отражающая падающее излучение. Плазма расширяется в виде плазменного фронта, сопровождаясь генерацией ударной волны, излучения в УФ и рентгеновском диапазоне, акустических импульсов.
1. Слабо ионизованная плазма Плотность свободных носителей мала по сравнению с плотностью атомов. Прозрачность остаётся высокой, тепловое влияние ограничено.
2. Квазинейтральная плазма Характеризуется приблизительным равенством числа ионов и электронов, высокой проводимостью и активным взаимодействием с внешним полем.
3. Перегретая плазма Формируется при воздействии коротких и мощных лазерных импульсов, когда электронная температура существенно превышает ионную. Такая плазма нестабильна и быстро перераспределяет энергию.
1. В газах Процессы ионизации в газах легче контролировать, они лежат в основе технологии лазерного искрового пробоя, лазерной индукции разряда и лазерного зажигания. Газы позволяют реализовать управляемое образование плазменного канала с заданными параметрами.
2. В жидкостях Лазерное плазмообразование в жидкостях сопровождается кавитацией, высокими давлениями, генерацией микроструй и акустических волн. Такие процессы используются в лазерной абляции, медицинской литотрипсии и микрообработке.
3. В твёрдых телах Плазма в твёрдом теле возникает вблизи поверхности и сопровождается интенсивной абляцией, субпикосекундными тепловыми и механическими эффектами. Явление активно применяется в технологии лазерной микро- и нанофабрикации, а также в спектроскопических методах анализа.
При достижении критической мощности лазерного излучения (для заданной длины волны и среды) может возникнуть самофокусировка. Она приводит к сжатию пучка в пространстве, локальному росту интенсивности и возникновению узкого плазменного канала.
Этот эффект особенно характерен для фемтосекундных импульсов в газах, где формируются длинные филаменты — устойчивые каналы слабоионизированной плазмы длиной до нескольких метров. Они находят применение в лазерной грозовой защите, атмосферной спектроскопии и дистанционной диагностике.
1. Лазерная абляция Формирование плазмы в твёрдом теле сопровождается резким испарением материала. Это используется в прецизионной обработке материалов, медицинской хирургии, лазерной литографии.
2. Лазерно-индуцированная эмиссия (LIBS) Кратковременное формирование плазмы на поверхности образца даёт возможность по спектру испущенного света определить его элементный состав.
3. Лазерное зажигание и инициирование реакций Формирование плазмы в топливно-воздушной смеси позволяет эффективно воспламенить её, что применимо в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках.
4. Лазерное ускорение частиц Области с высокой плотностью плазмы и градиентом поля служат в качестве среды для ускорения электронов до высоких энергий в компактных установках.
5. Генерация рентгеновского излучения Плазменные области, возбуждённые мощным лазером, становятся источником импульсов рентгеновского излучения — в частности, при работе с мишенями высокой плотности (например, металлическими).
Процессы плазмообразования охватывают широкий диапазон масштабов:
Контроль этих параметров требует точной настройки лазерных характеристик и условий фокусировки, а также диагностики возникающей плазмы с использованием интерферометрии, спектроскопии, временного разрешения.
Плазмообразование под действием лазерного излучения представляет собой уникальный, высокодинамичный процесс, лежащий в основе множества современных научных и технологических применений.