Ispitivanje svojstava niskotlačne plazme

Mogućnosti laserskog vođenja munja ispituju se već posljednih trideset godina. Osnovna motivacija za takva istraživanja je zaštita energetskih postrojenja, sprječavanje materijalnih gubitaka, problema u komunikaciji i zračnom prometu koja nastaju kao posljedica prirodnog pražnjenja munja. Najranija istraživanja pomoću nanosekundnih lasera, nastala sedamdesetih i osamdesetih godina prošlog stoljeća, nisu pokazala značajnije rezultate. Prije petnaest godina, pojavom femtosekundnih lasera došlo se do konkretnijih rezultata u ovom području. Razumijevanje složenih nelinearnih procesa koji nastaju kao posljedica interakcije krakih, snažnih laserskih pulseva s medijem tema je brojnih istraživanja.

Propagacija femtosekundnih laserskih pulseva na velikim udaljenostima moguća je zbog pojave tzv. filamenata, snopova plazmenih kanala koji nastaju kao posljedica ionizacije medija zbog utjecaja lasera velikih snaga (TW). Ti plazmeni kanali djeluju na lasererski snop poput divergentne leće, odnosno šire laserski snop. S druge strane, u interakciji laserskih pulseva velikih intenziteta s medijem dolazi do samofokusiranja laserskog snopa, zbog tzv. optičkog Kerr-ovog efekta. S obzirom da su procesi ionizacije, samofokusiranja i defokusiranja povezani preko nelinearnog odziva medija na upadni puls, ti procesi su istovremeno prisutni pri propagaciji lasera kroz medij, što vodi do stvaranja filamenata. Ispitivanja propagacije femtosekundnih pulseva u medijima važni su i zbog njihove primjene i u metrologiji, kao tehnika za ispitivanje zagađenosti zraka (light detection and ranging - LIDAR) te u spektroskopiji udaljenih objekata (laser-induced plasma spectroscopy - LIPS).

Osnovna ideja eksperimenta je postizanje izboja u plinovima niskih tlakova (ispod 30 Torra) pomoću femtosekundnog laserskog snopa, pojačanog pomoću laserskog pojačala (Spitfire). Plinovi u kojima smo radili mjerenja su zrak, dušik i helij. Zbog multifotonske apsorpcije, uslijed interakcije plina i laserskih pulseva, dolazi do ionizacije plina i stvaranja plazmenog kanala koji se pojavljuje u uskom, dobro definiranom prostoru između dvije elektrode koje su priključene na izvor istosmjernog napona U DC. Pri određenim uvjetima tlakova i napona između elektroda imamo režim izboja u kojem je izboj uvjetovan prisutnošću lasera. Laserom inducirani proboj dešava pri naponima paljenja nižim od napona potrebnih za samostalno paljenje izboja (tzv. spontani proboj).

Na filmu koji slijedi vidi se kako izboj u komori postaje značajniji kada kroz plin (zrak) prolazi laserski snop. Kada se snop zaustavi, dolazi do nestanka plazmenog kanala.

izboj2.avi (39 Kb)

Cilj eksperimenta bilo je ispitivanje uvjeta u kojima se takav, laserom inducirani izboj pojavljuje. Na temelju eksperimentalnih rezultata možemo opisati svojstva niskotlačne plazme, kao što su njena vodljivost, početna gustoća elektrona u plazmenom kanalu, ali možemo definirati procese koji slijede nakon iniciranja plazmenog kanala, odnosno procese relaksacije plazme u uvjetima niskih koncentracija čestica plina.

U uvjetima niskih tlakova vremenski razvoj plazme pokazuje drugačije ponašanje od plazmenih kanala koji nastaju u uvjetima atmosferskog tlaka. Pri atmosferskom tlaku relaksacija kanala plazme se odvija u vremenu do 200 ns, dok u slučaju niskotlačne plazme ti procesi su puno sporiji i traju do 150 m s. To je prvi znak da se procesi u niskotlačnoj plazmi odvijaju drugačijom dinamikom od procesa u visokotlačnoj plazmi.