Оптика атмосферы и океана №8 2009 (154,00 руб.)

Стр.1

«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 22, ¹ 8 (2009) НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И ОКЕАНЕ УДК 536.24, 53.043, 535:621.373.826 Фазовый взрыв водной капли фемтосекундным лазерным импульсом: I. Динамика оптического пробоя * Þ.Ý. Ãåéíö, À.À. Землянов Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1 Поступила в редакцию 25.02.2009 ã. Представлена физическая модель фазового взрыва оптически прозрачной водной капли в поле интенсивного лазерного излучения фемтосекундной длительности. Теоретически исследована теплофизическая стадия взрыва, связанная с оптическим пробоем жидкости во внутренних областях микронной частицы. Приведены результаты численных расчетов динамики плазмообразования в капле при различной интенсивности облучения, а также выполнены оценки положения и эффективного размера областей пробоя внутри частицы. Ключевые слова: фазовый взрыв, оптический пробой, микрочастица, фемтосекундное излучение. Введение Значительный прогресс, наблюдающийся в последние два десятилетия в развитии фемтосекундных лазерных систем, применение их для широкомасштабных атмосферных исследований вывели на первый план задачу изучения закономерностей нелинейного распространения мощного ультракороткого лазерного излучения (УКИ) при наличии на трассе аэрозольных образований. Присутствие в воздухе аэрозольных частиц, в частности капель воды, существенно изменяет условия распространения лазерного излучения. Взаимодействие интенсивного УКИ с аэрозолем может сопровождаться явлением оптического пробоя и взрывного разрушения частиц [1, 2]. Внутри прозрачной капли в течение всего импульса в местах наибольшей концентрации световой энергии формируются плазменные очаги, которые являются областями активного поглощения лазерного излучения. Частица, таким образом, кроме линейного оптического ослабления проявляет еще и наведенное излучением нелинейное поглощение, что может повлиять на динамические характеристики самого УКИ. В результате взрыва и фрагментации аэрозольных частиц происходит существенная перестройка физико-химических свойств канала распространения и при частотно-импульсном режиме работы источников УКИ после прохождения первого импульса в цуге условия распространения для последующих импульсов могут быть уже иными. В отличие от известных традиционных экспериментов по взрыву сильно поглощающих микрочастиц длинными лазерными импульсами (например, воздействие излучения CO2-лазера на капли воды), * Юрий Эльмарович Гейнц (ygeints@iao.ru); Александр Анатольевич Землянов (zaa@iao.ru). когда излучение напрямую нагревает частицу, приводя к ее взрывному вскипанию (см. монографии [3–5] и ссылки в них), ультракороткое излучение вследствие экстремально высокой плотности мощности (∼ 1014 Âò/ñì2) способно сначала ионизовать внутренние области микрочастицы. Диссипация запасенной в плазменных областях энергии во внутреннюю энергию вещества частицы реализуется, как правило, уже после прохождения лазерного импульса и сопровождается газодинамическим расширением перегретой двухфазной жидкости, приводя к частичному или полному механическому разрушению микрочастицы. Первый и пока единственный известный нам эксперимент по динамике взрыва капель воды в поле излучения фемтосекундного лазера на кристалле сапфира [2] указал на многообразие протекания процесса фрагментации капли при таких условиях и его зависимость от энергии, длительности лазерного импульса и размера частицы. Необходимо отметить, что задача о фазовом взрыве капли под действием мощного лазерного излучения имеет долгую историю. Возможность светоиндуцированного теплового взрыва капель была теоретически предсказана в [6] при анализе режимов испарения малого объема жидкости под действием излучения. При этом сам взрывной режим испарения связывался с достижением критических параметров вещества в локальных областях капли при быстром неизобарном нагреве жидкости. Экспериментально взрыв капель впервые наблюдался в [7], где исследовалось взаимодействие излучения рубинового лазера (λ0 = 0,69 ìêì) и 100– 200-мкм подкрашенных капель воды, подвешенных на нитях. Взрыв наступал при превышении некоторого порогового значения по плотности поглощенной частицей энергии излучения, которое в [7] было оценено на уровне ∼ 20 Äæ/ñì2. Фазовый взрыв водной капли фемтосекундным лазерным импульсом: I. Динамика оптического пробоя 725

Стр.1