戴宇佳 宋曉偉 高勛 王興生 林景全

(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻輻射特性研究?

戴宇佳 宋曉偉?高勛?王興生 林景全

(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

納秒激光,空氣等離子體,射頻電磁輻射

1 引 言

強(qiáng)激光與物質(zhì)(固體、氣體等)相互作用時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體是一種重要的電磁波輻射源,其電磁輻射包含極紫外、紫外、可見(jiàn)、紅外、太赫茲直至射頻等有著重要應(yīng)用的較寬波段[1,2].激光誘導(dǎo)擊穿光譜、太赫茲遠(yuǎn)程遙感[3]、X射線天文仿真[4]及激光探地雷達(dá)[5]等都是利用激光誘導(dǎo)靶材產(chǎn)生等離子體電磁輻射的相關(guān)應(yīng)用.二十世紀(jì)六十年代,蘇聯(lián)Basov等[6]提出利用強(qiáng)激光實(shí)現(xiàn)“慣性約束聚變”,研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在核聚變?cè)囼?yàn)中產(chǎn)生巨大的電磁脈沖(射頻、微波等)會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾和破壞.Brown等[7]在真空腔內(nèi)利用國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃高能激光作用于金屬靶過(guò)程中產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁脈沖,電磁脈沖通過(guò)探測(cè)器耦合到整個(gè)系統(tǒng)的電子回流中,對(duì)信號(hào)探測(cè)產(chǎn)生了極大的干擾甚至數(shù)據(jù)丟失.為了屏蔽等離子體電磁輻射對(duì)電子設(shè)備的干擾,研究等離子體的電磁輻射特性具有重要的意義.

Pearlman和Dahlbacka[8]在實(shí)驗(yàn)中首次觀察到激光誘導(dǎo)等離子體的射頻輻射(頻率范圍1—330 MHz),認(rèn)為等離子體射頻輻射與等離子體內(nèi)的宏觀電荷分離振蕩、靶材特性和真空腔諧振模式有關(guān).Cheng等[9]認(rèn)為飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體通道的電磁輻射來(lái)源于等離子體通道內(nèi)的偶極子振蕩,并且以等離子體振蕩頻率向外輻射電磁波.Hosseini等[10]基于等離子體絲內(nèi)振蕩輻射電磁波的輻射強(qiáng)度,用來(lái)測(cè)量飛秒激光脈沖誘導(dǎo)等離子體絲長(zhǎng)度.Nakajima等[5]提出激光探地雷達(dá)技術(shù),利用激光誘導(dǎo)等離子體的微波輻射實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的遠(yuǎn)程探測(cè).Vinoth Kumar等[11]研究了納秒和皮秒脈沖激光誘導(dǎo)空氣、鋁、銅等靶材誘導(dǎo)等離子體射頻電磁輻射(30 MHz—1 GHz)特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納秒激光擊穿空氣時(shí)所輻射出的電磁輻射頻譜成分較皮秒擊穿空氣時(shí)的情形豐富.Consoli等[12]發(fā)現(xiàn)激光等離子體的射頻輻射特性與激光功率密度和靶材特性有關(guān).研究結(jié)果表明激光誘導(dǎo)等離子體的低頻電磁輻射(射頻、微波)頻譜特性與激光波長(zhǎng)、脈寬、偏振以及能量密度有關(guān),但是射頻電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)制尚不清晰,需要進(jìn)一步深入研究.

本文開(kāi)展納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體的射頻電磁輻射特性研究,分析激光偏振方向?qū)ι漕l電磁輻射頻譜特性的影響,給出激光能量影響射頻輻射功率的規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻輻射的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)采用輸出波長(zhǎng)532 nm、重復(fù)頻率10 Hz、脈寬8 ns的Nd:YAG激光器(Continuum,Suerlite II)作為誘導(dǎo)擊穿空氣等離子體的激發(fā)光源,激光光束直徑為10 mm,偏振方向?yàn)榇怪逼?最大輸出能量為250 mJ.實(shí)驗(yàn)中采用半波片和格蘭棱鏡組成能量衰減系統(tǒng)改變激光脈沖能量,激光光束經(jīng)焦距為200 mm的平凸石英透鏡聚焦擊穿空氣產(chǎn)生等離子體.在石英透鏡前放置半波片,用來(lái)改變?nèi)肷浼す獾钠穹较?實(shí)驗(yàn)中采用一雙錐形天線(Lindgren,3180B,探測(cè)范圍:3 MHz—1 GHz)收集空氣等離子體向外輻射的射頻電磁波,天線口徑尺寸為400 m×300 mm,天線收集的射頻電磁輻射信號(hào)利用頻譜分析儀(Agilent,E4407B,頻率范圍:9 kHz—26.5 GHz)記錄,得到空氣等離子體射頻電磁輻射的頻譜范圍及輻射強(qiáng)度.數(shù)字延時(shí)觸發(fā)器(Stanford,DG645)同步觸發(fā)激光器和頻譜分析儀.為了減少實(shí)驗(yàn)誤差,保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,頻譜分析儀采集50發(fā)脈沖產(chǎn)生的等離子射頻輻射做平均.雙錐形天線垂直放置,平行于X軸;天線水平放置時(shí),平行于Y軸.激光光束垂直偏振時(shí),偏振方向平行于X軸;激光光束水平偏振時(shí),偏振方向平行于Y軸(見(jiàn)圖1).本實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、室溫25?C、相對(duì)濕度為25%環(huán)境中進(jìn)行.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻輻射實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1.(color online)The experiment setup of radio-frequency emissions from nanosecond laser-induced breakdown plasma of air.

本文研究頻率小于1 GHz的等離子體的射頻電磁輻射.天線距離激光焦點(diǎn)約為0.27 m,對(duì)于頻率為小于或者等于1 GHz左右的射頻,該探測(cè)距離滿足射頻電磁波的遠(yuǎn)場(chǎng)接收條件,即R>2D2/λ,其中D是天線口徑(200 mm),R是輻射源距天線的距離,λ是輻射波長(zhǎng).在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),等離子體的射頻輻射空間角分布與接收天線和輻射源的距離無(wú)關(guān)[13].

3 結(jié)果與討論

圖2是在激光水平偏振(H)、天線垂直放置(V)條件下獲得的脈沖能量從5—100 mJ誘導(dǎo)擊穿空氣等離子的射頻電磁輻射.由圖2可知,在30—700 MHz頻率范圍內(nèi),空氣等離子體存在多條線譜的射頻輻射,主要分布在30—200 MHz,360—600 MHz范圍內(nèi),而在200—360 MHz和600—700 MHz頻率范圍內(nèi),射頻輻射譜線非常少且強(qiáng)度較低.射頻輻射頻率與誘導(dǎo)擊穿空氣的激光脈沖能量密切相關(guān).在30—200 MHz低頻范圍內(nèi),隨著脈沖能量增加,空氣等離子體的射頻輻射譜線增多,并且射頻輻射強(qiáng)度增加,當(dāng)脈沖能量大于60 mJ后,射頻輻射譜線強(qiáng)度變小;在360—600 MHz頻率范圍內(nèi),脈沖能量低于20 mJ時(shí),射頻輻射的譜線強(qiáng)度均大于30—200 MHz低頻射頻輻射,隨著能量增大,射頻輻射譜線強(qiáng)度變?nèi)?并且射頻輻射譜線數(shù)目減小.

納秒激光脈沖誘導(dǎo)擊穿空氣產(chǎn)生等離子體,在等離子體膨脹過(guò)程中,等離子體內(nèi)的電子和離子在等離子體壓強(qiáng)作用下加速遠(yuǎn)離激光聚焦位置,并且出現(xiàn)分離,形成電子-離子構(gòu)成的電偶極子,在不同方向上都可能形成偶極子,這些電偶極子在庫(kù)侖力作用下做變速振蕩,從而向外輻射電磁波[14],輻射的電磁波頻率與電偶極子的振蕩頻率相等[9],且這些電偶極子的振蕩屬于集體效應(yīng).空氣等離子體中的電偶極子振蕩頻率(k為恢復(fù)系數(shù),m為電偶極子質(zhì)量),納秒激光誘導(dǎo)擊穿空氣產(chǎn)生的空氣等離子體中存在O+,O2+,O3+,N+,N2+,NO+,H+等離子基團(tuán)[15],這些離子基團(tuán)與電子形成電偶極子的質(zhì)量m不同,對(duì)應(yīng)的偶極矩不相同,因此電偶極子振蕩過(guò)程中的恢復(fù)系數(shù)k不相同,從而電偶極子的振蕩頻率是一些分立值,因此空氣等離子體內(nèi)的電偶極子輻射的電磁波頻率呈現(xiàn)為一些分立值.由于空氣等離子體擴(kuò)張?bào)w積大[16],造成空氣等離子體中偶極子的偶極矩具有較大跨度,因此空氣等離子體的射頻輻射譜線較為豐富.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)不同能量下激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻輻射頻譜Fig.2.(color online)Radio-frequency spectra of laserinduced breakdown air plasma at different laser energies.

脈沖激光能量為100 mJ,天線垂直放置(V)時(shí),不同激光偏振方向(水平H和垂直V)條件下的空氣等離子體射頻輻射如圖3所示.由圖3可知,在垂直和水平兩種偏振方向激光作用下,在30—700 MHz范圍內(nèi),空氣等離子體射頻電磁輻射譜線頻譜基本一致,且在200—350 MHz頻率范圍內(nèi),射頻輻射譜線都較少.當(dāng)激光偏振方向由水平變?yōu)榇怪狈较驎r(shí),在100—200 MHz頻率范圍內(nèi),空氣等離子體射頻輻射強(qiáng)度變小,而在350—600 MHz頻率范圍內(nèi),射頻輻射強(qiáng)度增加顯著.整體來(lái)看,當(dāng)天線放置方向與激光偏振方向一致時(shí),在天線的接收方向上空氣等離子體的射頻輻射強(qiáng)度大且譜線豐富,這一規(guī)律與Vinoth Kumar研究小組[11]研究結(jié)果一致.這說(shuō)明等離子體射頻輻射的空間分布依賴于入射激光的偏振方向,在平行于激光偏振方向上等離子體射頻輻射強(qiáng)度大,而在垂直于激光偏振方向上射頻輻射強(qiáng)度較弱.導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是:電子在線偏振光作用下主要沿偏振光方向振蕩[17],而離子質(zhì)量較大,線偏振光對(duì)其作用可以忽略,考慮等離子體中這些電偶極子的振蕩主要沿激光偏振方向,因此在垂直激光偏振方向上其輻射強(qiáng)度較弱.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)不同激光偏振下激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻輻射頻譜Fig.3. (color online)Radio-frequency spectra of laser-induced breakdown air plasma in different laser polarization.

激光垂直偏振(V)、天線垂直放置(V)條件下,空氣等離子體在30—700 MHz范圍內(nèi)射頻電磁輻射功率隨激光能量變化如圖4所示.由圖4可知,隨著激光能量的增加,等離子體射頻輻射功率存在先增加后降低的變化趨勢(shì).等離子體射頻電磁輻射的本質(zhì)主要取決于兩個(gè)因素[18]:1)激光誘導(dǎo)等離子體的特性,例如等離子體的電離度,它決定了等離子體的組成(電子、離子、中性原子和分子簇);2)等離子體中電荷分離的不穩(wěn)定性和電荷振蕩的衰減.這兩個(gè)因素對(duì)等離子體的射頻輻射總功率有較大影響.因此,低頻電磁輻射發(fā)生在遠(yuǎn)沒(méi)有完全電離的等離子體中.

空氣等離子體在射頻和微波頻率范圍內(nèi)的總功率為[19]

其中,ωp是等離子體頻率,p是凈偶極矩,ε0為自由空間介電常數(shù),c為光速.

圖4 射頻電磁輻射功率隨激光能量變化Fig.4.The total power of radio-frequency emissions variation with laser energy.

空氣等離子體產(chǎn)生的射頻電磁輻射向外輻射的過(guò)程中,存在輻射衰減,衰減系數(shù)γ[20]與等離子體頻率緊密相關(guān),

其中me為電子質(zhì)量.因此,等離子體頻率ωp越大,則空氣等離子體射頻電磁輻射向外輻射過(guò)程中衰減系數(shù)變大,到達(dá)錐形天線處接收一定空間立體角內(nèi)的射頻輻射強(qiáng)度變?nèi)?電子密度(ne)和等離子體頻率(ωp)滿足關(guān)系:

其中,e,me和ε0分別是電荷量、電子質(zhì)量和自由空間介電常數(shù).

激光誘導(dǎo)等離子體內(nèi)的電離度與激光能量有關(guān)[21].當(dāng)激光能量較低時(shí),空氣等離子體的電離度較低[22],電子與中性原子簇和分子相互作用概率大,造成空氣等離子體的射頻輻射功率比較高.隨著激光能量增加,空氣等離子體的電離度增大,等離子體電子密度隨之增大,電子與中性原子、分子相互作用概率減少,等離子體中形成偶極子的概率減少;另一方面,等離子體頻率ωp隨電子密度ne的增加而增大,等離子體射頻電磁輻射的衰減系數(shù)γ隨之變大,從等離子體中向外輻射的射頻輻射強(qiáng)度變?nèi)?總之,誘導(dǎo)空氣擊穿的脈沖能量增大,出現(xiàn)空氣等離子體的射頻輻射強(qiáng)度降低變化.

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了波長(zhǎng)532 nm納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻電磁輻射特性的研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,空氣等離子體在30—800 MHz頻率范圍內(nèi)有較強(qiáng)的射頻電磁輻射產(chǎn)生.射頻輻射的產(chǎn)生原因主要為等離子體內(nèi)電偶極子振蕩做變速運(yùn)動(dòng)造成的,輻射特性與等離子體內(nèi)的電子與原子和分子簇等中性粒子的相互作用有關(guān).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著誘導(dǎo)擊穿空氣的脈沖能量增加,30—200 MHz低頻范圍內(nèi)的射頻輻射強(qiáng)度逐漸變強(qiáng),但360—600 MHz頻率范圍射頻輻射強(qiáng)度逐漸變?nèi)?天線測(cè)量的等離子體射頻輻射的空間分布依賴于入射激光的偏振方向,在平行于激光偏振方向上等離子體射頻輻射強(qiáng)度大,而在垂直于激光偏振方向上射頻輻射強(qiáng)度較弱.隨著誘導(dǎo)擊穿空氣的激光能量增加,等離子體射頻電磁輻射的衰減系數(shù)快速增加,從而使等離子體射頻輻射功率逐漸降低.對(duì)射頻電磁輻射特性的進(jìn)一步研究,對(duì)于人們深刻理解和掌握激光與物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律及機(jī)制具有重要意義.

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Characteristics of radio-frequency emission from nanosecond laser-induced breakdown plasma of air?

Dai Yu-Jia Song Xiao-Wei?Gao Xun?Wang Xing-Sheng Lin Jing-Quan

(School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

6 April 2017;revised manuscript

8 June 2017)

The radio-frequency(RF)emissions in a range from 30 MHz to 800 MHz from the plasma,which is produced by the nanosecond laser(532 nm,8 ns)induced breakdown of atmospheric air,are presented.A spectrum analyzer which can scan over a spectral range of 9 kHz–26.5 GHz is used to record the RF-range radiation intensities of the emission from the plasma.RF electromagnetic radiations from the laser induced breakdown of atmospheric air are obtained for different input laser energies.A half-wave plate and a Glan prism are used to vary the input laser energy.Experimental results show that the intensities of RF radiation in a range of 30–200 MHz increase with the increase of laser energy,but the intensities of RF radiation in a 360–600 MHz frequency range decrease.To study the effect of input laser polarization on the RF radiation,we adopt the input lasers with vertical and horizontal polarization respectively.When the polarizations of the input laser and the antenna are the same,the RF radiation intensity is relatively high,and the frequency lines are relatively abundant.The changing relationship between the total power of RF radiation and the energy of the input laser is calculated and analyzed.It is observed that the total power of RF radiation first increases and then decreases with the increase of input laser energy.The in fluences of the plasma electron density on the plasma frequency and the plasma attenuation coefficient are investigated to explain the relationship between the total power of the RF radiation and the laser energy.The RF radiation is caused by the following processes.The generated electrons and ions are accelerated away from the core by their thermal pressures.This leads to charge separation and forming the electric dipole moments.These oscillating electric dipoles radiate electromagnetic waves in the RF range.Furthermore,the interactions of electrons with atomic and molecular clusters within the plasma play a major role in RF radiation,and the low frequency electromagnetic radiation takes place from the plasma that is far from fully ionized state.Further study of the characteristics of RF electromagnetic radiation is of great significance for understanding the physical mechanism of the interaction between laser and matter.

nanosecond laser,air plasma,radio-frequency electromagnetic radiation

PACS:52.25.Os,52.70.GwDOI:10.7498/aps.66.185201

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61575030).

?Corresponding author.E-mail:songxiaowei@cust.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:lasercust@163.com

(2017年4月6日收到;2017年6月8日收到修改稿)

開(kāi)展了波長(zhǎng)為532 nm、脈寬為8 ns的納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體射頻電磁輻射特性實(shí)驗(yàn)研究,基于錐形天線探測(cè)空氣等離子體在30—800 MHz頻譜范圍有較強(qiáng)的射頻電磁輻射,是等離子體內(nèi)電偶極子振蕩變速運(yùn)動(dòng)造成的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨激光能量增加,30—200 MHz范圍內(nèi)射頻輻射強(qiáng)度逐漸變強(qiáng),但360—600 MHz頻率范圍射頻輻射強(qiáng)度逐漸變?nèi)?等離子體射頻輻射的空間分布依賴于入射激光的偏振方向,當(dāng)激光偏振方向與天線放置方向一致時(shí),該方向上空氣等離子體的射頻輻射強(qiáng)度高,譜線較豐富.射頻輻射總功率隨激光能量先增加后降低,采用等離子體電子密度變化對(duì)等離子體頻率及等離子體衰減系數(shù)影響(制約)關(guān)系,對(duì)射頻輻射總功率隨激光能量的變化規(guī)律進(jìn)行了解釋.

10.7498/aps.66.185201

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61575030)資助的課題.

?通信作者.E-mail:songxiaowei@cust.edu.cn

?通信作者.E-mail:lasercust@163.com