0.0. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков

Оптический пробой, возникающий в идеальных (бездефектных) прозрачных диэлектриках, находящихся в различных агрегатных состояниях (газовом, жидком, кристаллическом), качественно описывается в рамках одного физического процесса, отвечающего за превращение прозрачной среды в сильно поглощающую под действием мощного светового потока. Главные черты этого явления остаются неизменными: исходно прозрачное, нейтральное вещество ионизируется, образуется плазма, если ее плотность достигает значений, близких к критическим, то лазерное излучение эффективно поглощается в плазме, нагревая ее до высокой температуры.

Основной вклад в энергетику процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом вносит электрическое поле электромагнитной волны, поэтому в литературе встречается наряду с термином «оптический пробой» термин «электрический пробой». Подчеркнем, что для разных сред и разных частот лазерного излучения существуют свои особенности возникновения и протекания оптического пробоя.

При больших интенсивностях лазерного излучения необходимо принимать во внимание нелинейные эффекты при поглощении света. Кроме того, при оптическом пробое резко изменяется поглощение среды вследствие изменения агрегатного состояния самой среды. В исходно нейтральной среде под действием лазерного излучения образуется плазма, сильно поглощающая излучение, падающее на вещество. Известно, что поглощение излучения в плазме зависит от соотношения частоты излучения и плазменной частоты . Максимальное поглощение излучения достигается при . Плазменная частота ( – заряд электрона, – его масса, – диэлектрическая проницаемость среды) зависит от плотности гармонических осцилляторов (плотности свободных электронов). По мере роста степени ионизации под действием лазерного излучения увеличивается и, следовательно, увеличивается . При достижении критической плотности ( ) плазма становится непрозрачной для электромагнитной волны.

Рассмотрим процессы, ведущие к фотоионизации вещества, то есть к образованию плазмы, на примере оптического пробоя газов.

0.0.0. Оптический пробой газов

Взаимодействие лазерного излучения с газами инициирует процессы однофотонной, многофотонной и лавинной ударной ионизации среды.

При однофотонной фотоионизации атом или молекула вещества ионизуется при столкновении с одним фотоном. Процесс прямой ионизации возможен только при выполнении законов сохранения энергии и импульса. Из-за того, что , и ( – масса и скорость электрона, - масса и скорость иона), практически вся энергия фотона передается электрону

Многофотонное возбуждение представляет собой процесс, в котором электрон в квантовой системе (в атоме, молекуле) переходит из одного связанного состояния в другое связанное состояние в результате поглощения нескольких фотонов действующего излучения. Многофотонное возбуждение противоположно ступенчатому или каскадному возбуждению, когда поглощение каждого последующего фотона переводит квантовую систему из одного связанного состояния в другое (более высокое) связанное состояние. Принципиальная возможность многофотонного перехода электрона из одного связанного состояния в другое (связанно-связанный переход) обусловлена соотношением неопределенности энергия — время. Согласно этому соотношению закон сохранения энергии для промежуточных (виртуальных) состояний может не выполняться; он выполняется лишь для начального и конечного состояний.

Кроме нелинейной ионизации нейтральных атомов в поле излучения происходит процесс ионизации атомов при их столкновении с электронами, ускоренными в поле излучения. Образование плазмы за счет электронной ионизации при фиксированной напряженности поля может произойти с большей вероятностью, чем процесс нелинейной ионизации. Лавинная ионизация приведет к оптическому пробою только в том случае, когда результирующая скорость размножения электронов настолько велика, что превышает пороговое значение, необходимое для образования плазмы в течение лазерного импульса. Так как скорость набора энергии электронами пропорциональна интенсивности лазерного излучения, а скорость потерь практически не зависит от поля, то при заданной длительности лазерного импульса должно существовать пороговое значение интенсивности лазерного излучения, по достижении которого возникает лавинная ионизация.

Подробно процессы фотоионизации описаны в 5 главе первой части пособия. Там же получено выражение для пороговой интенсивности лазерного излучения при лавинной ударной ионизации

, (0.40)

где и  заряд и масса электрона соответственно,  характерное время между столкновениями, сопровождающимися передачей импульса, - энергия ионизации атомов или молекул,  скорость потерь энергии свободными электронами, - начальная плотность свободных электронов в диэлектрике, - критическая плотность электронов, при которой начинает развиваться электронная лавина.

Соотношение (0.40) позволяет в явной форме установить, как порог пробоя зависит от различных физических параметров.

Область, охваченная ионизацией, расширяется навстречу излучению (рис. 0.0). Расширение плазмы обусловлено гидродинамическим механизмом: нагреваемый газ, давление в котором велико, порождает ударную волну. Распространяясь навстречу лазерному пучку, ударная волна также ионизирует вещество, облегчая условия оптического пробоя. Новые порции вещества, ионизированные и прогретые ударной волной, становятся непрозрачными для излучения, которое сильно поглощается, и таким образом, поддерживает движение волны. Расширение может определяться также радиационным механизмом, в основе которого лежит прогрев вещества тепловым излучением, испускаемым горячей плазмой из области максимальной фокусировки лазерного излучения.

Условия для пробоя могут возникнуть в течение лазерного импульса во многих точках по пути луча. Отметим, что объем фокусировки определяется поперечным размером лазерного пучка , начальной расходимостью пучка перед фокусировкой, а также фокусным расстоянием линзы

. (0.41)

Рис. 0.0. Схема эволюции фронта плазмы в оптическом пробое в воздухе. Цифры на кривых — время от начала пробоя в нс.

Оптический пробой в случае малых значений объема фокусировки наступает при более высоких значениях интенсивности световых пучков, т.к. электроны очень быстро выводятся из области ионизации и лавины электронов не образуется.