Ионизация и нагрев алюминия в поле Бесселева лазерного пучка

М. В. ЧЕГОТОВ, 1С. С. БЫЧКОВ, 1Л. Н. ПЯТНИЦКИЙ

Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, Москва

1Институт высоких температур РАН, Москва

ИОНИЗАЦИЯ И НАГРЕВ АЛЮМИНИЯ В ПОЛЕ

БЕССЕЛЕВА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

Исследовано пространственно-временное распределение степени ионизации и электронной температуры при ионизации алюминия бесселевым пучком. Показано, что на размеры области плазмы с высокоионизованным алюминием и высокой температурой электронов определяющее влияние оказывает ионизационная рефракция.

В работах [1-3] предложен способ формирования протяженной фокальной области электромагнитного пучка с помощью линзы конической формы (аксикона). Результатом прохождения аксикона электромагнитным пучком является бесселев пучок. В работе [4] теоретически исследовалось влияние на пространственно-временную динамику лазерной искры изменения показателя преломления вещества (гелия) в ходе его ионизации пространственно неоднородным лазерным пучком (ионизационная рефракция). Показано, что с течением времени ионизационная рефракция приводит к формированию продольных пространственных структур.

В настоящей работе теоретически исследуется формирование лазерной искры в алюминии. Далее представлены результаты численного решения волнового уравнения в параболическом приближении в предположении цилиндрической симметрии лазерного пучка (ось r (см) – поперечная координата), падающего на алюминий вдоль оси z (см). Давление алюминия – 1 атм (начальная концентрация атомов алюминия nat = 2.5´1019 см-3), максимальная начальная интенсивность в фокусе пучка порядка 5´1011 Вт/см2, длина волны l0 = 1.06 мкм, длительность порядка 6 нс, угол аксикона – 20 и 190. Предполагалось, что ионизация алюминия происходит за счет термического (столкновительного) механизма с одновременным увеличением как концентрации электронов ne (степени ионизации ne/nat), так и температуры электронов Te за счет омического нагрева в поле лазерного излучения.

Результаты расчетов при различных углах аксикона показаны на рис. 1, 3 (температура электронов в Эв) и рис. 2, 4 (распределение интенсивности лазерного излучения, нормированное на 1.4´109 Вт/см2). Рис. 1 и 2 соответствуют углу аксикона 190, а рис. 3 и 4 – углу аксикона 20. При этом плазма алюминия греется весьма неоднородно (см. рис. 1, 3), что обусловлено существенно неоднородным распределением лазерного поля (см. рис. 2, 4). Причиной неоднородности лазерного поля является ионизационная рефракция (см. [4]). Масштабы существенно нагретой области алюминиевой плазмы оказываются зависящими от угла аксикона. В случае большого угла аксикона (190) протяженность нагретой области оказывается значительно меньше протяженности нагретой области при угле аксикона в 20. При этом в области наиболее нагретого электронного газа степень ионизации приблизительно равна 10.

Рис. 1	Рис. 2
Рис. 3	Рис. 4

Работа частично поддержана РФФИ (проект № ).

Список литературы

1.  и др. // Квантовая электроника. 1986. Т. 13. С. 265.

2.  и др. // ЖЭТФ. 1994. Т. 105. С. 1232.

3.  и др. // Квантовая электроника. 1999. Т. 26. С. 243.

4. , Сб. науч. трудов «Научная сессия МИФИ-2003». М.: МИФИ, 2003. Т. 5. С. 158.