激光驅(qū)動(dòng)的高功率激光驅(qū)動(dòng)等離子體形成

激光驅(qū)動(dòng)的高功率激光驅(qū)動(dòng)等離子體形成

1輝光放電的提出自給自足輻射技術(shù)的重要應(yīng)用是高功率氣體激光鼓勵(lì)。可以說(shuō)沒(méi)有均勻穩(wěn)定的自持體放電，就不可能有良好的激光輸出特性。因此有必要詳細(xì)了解自持體放電過(guò)程。自持放電是法拉第1844年發(fā)現(xiàn)的，由于具有輝光特征，以后被稱為眾所周知的輝光放電（電流均勻分布在電極表面）。在激勵(lì)大體積氣體時(shí)，當(dāng)氣壓高達(dá)1333.22Pa時(shí)，仍能獲得輝光放電。當(dāng)氣壓進(jìn)一步提高時(shí)，放電以弧光形式（電流只經(jīng)過(guò)連接兩電極的小尺寸通道）出現(xiàn)。開始時(shí)人們普遍認(rèn)為高氣壓下無(wú)法獲得輝光放電，直至Mesyats發(fā)現(xiàn)，在主放電之前60ns的時(shí)刻，如果在網(wǎng)陽(yáng)極后引發(fā)輔助放電，在高過(guò)壓下仍可獲得瞬態(tài)的輝光放電。后來(lái)的電光觀察已經(jīng)證實(shí)，確實(shí)存在一個(gè)均勻輝光占據(jù)整個(gè)激活體積的階段，這個(gè)沒(méi)有火花的階段后來(lái)被稱為體放電?！绑w”字強(qiáng)調(diào)放電特性只由放電過(guò)程本身決定，而與器壁的相互作用無(wú)關(guān)，此種放電屬于自持放電。大量研究表明，體放電和輝光放電極其相似，而在近電極區(qū)是強(qiáng)烈收縮的，除了能觀察到正極柱外，只能觀察到法拉第暗區(qū)，這種放電形式還被稱為高壓輝光放電、脈沖輝光放電、準(zhǔn)流注輝光放電或準(zhǔn)靜態(tài)輝光放電等。為了敘述的方便，將自持體放電分成三個(gè)階段：體放電的形成、能量的注入和放電的收縮。2放電均勻性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果放電的形成階段是指從電壓加在電極間到陰極降出現(xiàn)這一段時(shí)間，這個(gè)階段很大程度上決定了放電的時(shí)間特性和能量特性。到目前為止，發(fā)生在這個(gè)放電形成階段的整個(gè)詳細(xì)過(guò)程還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法，原因是放電行為與許多因素有關(guān)，這些因素包括所加電壓脈沖的幅值和脈寬、引發(fā)放電的形式、電極間距、電極材料和表面狀況以及氣體的種類和氣壓等。但是，體放電等離子柱的形成作為放電形成階段的重要組成部分已被大家接受。以下主要介紹幾種放電等離子體形成的模型。Palmer提出了一個(gè)等離子體快速形成的模型。該模型的精髓如下：初始電子來(lái)源于輔助放電的紫外光照射，且均勻地分布于整個(gè)激活體積，這些電子在電場(chǎng)的移動(dòng)過(guò)程中獲得能量使氣體電離引起雪崩發(fā)生。在雪崩過(guò)程中形成的電子數(shù)為：其中，x是電子穿越的路程，電子由于具有很高的速度往往處于雪崩頭部，而離子則分布于整個(gè)雪崩行程上。結(jié)果由于電荷的分離在雪崩中建立起內(nèi)在電場(chǎng)，對(duì)外加電場(chǎng)起削弱作用，當(dāng)這兩個(gè)電場(chǎng)相等時(shí)（Ne≈108cm-3），雪崩發(fā)展的速度迅速減慢，此時(shí)雪崩達(dá)到了極限尺寸。該模型指出，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)足以產(chǎn)生多級(jí)電離時(shí)，放電區(qū)的電子數(shù)和雪崩的極限尺寸有如下關(guān)系：其中，er是雪崩的最大半徑，根據(jù)這種近似關(guān)系，可推出初始電子濃度n0≈104～105cm-3，這與通常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（為獲得體放電n0必須大于107cm-3）相比顯得有些低。假定在時(shí)間t=1αve內(nèi)電子數(shù)目加倍和從雪崩電離到準(zhǔn)流注轉(zhuǎn)變的時(shí)間t*fr≤d/ve,Kushner得到了引發(fā)體放電的條件：其中，ε，v,e分別是電子的平均能量、遷移速率、電子電量，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。(3)和(4)兩式在典型的放電條件下，可得出n0=107cm-3，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。然而它們是在假設(shè)在電子數(shù)目加倍的時(shí)間內(nèi)發(fā)生雪崩重疊的前提下獲得的，放電發(fā)展的圖像建立在模型之前。而且它們不能解釋最大注入能量、放電均勻性與初始電子濃度的依賴關(guān)系。另外一個(gè)模型考慮兩平面無(wú)限電極間的放電發(fā)展，放電空間充滿預(yù)電離電子的氣體介質(zhì)，所加電壓脈沖上升時(shí)間為tfr。由于電子沿電場(chǎng)線方向的速度最快，電子從陰極到陽(yáng)極產(chǎn)生一系列的雪崩串，形成電流絲，電流絲的半徑會(huì)隨電子擴(kuò)散速率加快而增大，有如下關(guān)系：其中，De為電子擴(kuò)散系數(shù)，t是時(shí)間，電流絲中的電子數(shù)目Nf隨它的發(fā)展而增多。其中，Nf0=d/r是電流絲中的起始電子數(shù)，d是電極間距，r=n0-13是預(yù)電離階段電子間的平均距離，v是電離頻率。電流絲的電子數(shù)密度可定義為：一旦電流絲的半徑增大到等于Debye半徑RD，由于電子擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性擴(kuò)散，它的膨脹速度急劇減慢，即在考慮的時(shí)間段內(nèi)（<10-7s）會(huì)停止膨脹。此時(shí)的電流絲的半徑為R=RD=Rf。引入量n0cr=R-3（稱之為臨界電子數(shù)密度），均勻放電等離子體柱的條件可表示為：因此，當(dāng)n0<n0cr，放電等離子體由多個(gè)擴(kuò)散狀的電流絲構(gòu)成，文獻(xiàn)中采用對(duì)放電薄層的光切割方法也觀察到了這個(gè)現(xiàn)象。當(dāng)n0增大到n0cr時(shí)，電流絲的密度會(huì)隨之增大，因而放電均勻性會(huì)得到改善，放電實(shí)際面積（微電流絲的總面積Sf）和這個(gè)面積與電極的激活面積（S）的比例都會(huì)提高。結(jié)果注入到放電等離子體空間（由微電流絲的面積決定）的能量密度會(huì)下降。借助這個(gè)模型可以解釋n0與注入能量最大值、激光輸出能量和放電均勻性的關(guān)系。因此，提高n0會(huì)使微電流絲所占的體積增大，從而提高放電均勻性，必然引起激光輸出能量的提高。3提高放電穩(wěn)定性技術(shù)能量注入激光介質(zhì)發(fā)生在體放電過(guò)程中，因?yàn)轶w放電收縮后，能量只是通過(guò)一小部分體積的放電通道。由于體放電時(shí)具有更高的電流密度，因此使之與輝光放電有相同的穩(wěn)定性很困難。但是從應(yīng)用角度看，這種放電有很好的前景。問(wèn)題是什么樣的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、放電脈沖寬度和重復(fù)頻率允許注入到激光介質(zhì)盡可能多的能量。正確的選擇參數(shù)可以很大幅度的降低E/P值和提高脈沖氣體激光的激光輸出效率。提高放電穩(wěn)定性的結(jié)果是提高單位體積的注入能量、提高極限氣壓和放電間距，最終提高注入氣體的總能量。以下幾種技術(shù)可以達(dá)到這個(gè)目的：（1）采用電阻和電感限制局部電流密度的增長(zhǎng)；（2）縮短放電脈沖寬度，改善等離子體柱和近電極區(qū)的均勻性；（3）減少陰極層的能量釋放。采用陰極通過(guò)電阻或電感與激勵(lì)電路相連來(lái)限制局部電流密度增長(zhǎng)的技術(shù)已被多次討論過(guò)。通過(guò)提高氣體介質(zhì)的預(yù)電離水平來(lái)改善放電等離子體柱的均勻性可以提高注入氣體介質(zhì)的能量。Armandillo等人通過(guò)增加預(yù)電離放電的能量達(dá)到了以上目的（如圖1所示）。注入氣體介質(zhì)的能量的極限值隨n0的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，即使當(dāng)n0?n0cr時(shí)，只是增長(zhǎng)速度有所減慢。因?yàn)閚0的增長(zhǎng)會(huì)改善均勻性和減少放電形成時(shí)陰極層的電壓。采用等離子體陰極可以有很好的發(fā)射特性，但是它有幾個(gè)致命的弱點(diǎn)：不均勻的發(fā)射表面、短壽命和形成等離子體陰極時(shí)需要消耗能量。采用高發(fā)射特性的電極可以減少陰極層的能量釋放。圖2給出了不同材料電極對(duì)陰極層能量釋放的影響?？梢钥吹皆陔娏髅芏萰=10～102Acm-2時(shí)采用金屬電極存在有拐點(diǎn)（曲線1），而采用La0.7Sr0.3CoO3材料制成的電極時(shí)，陰極層的電場(chǎng)明顯降低且無(wú)拐點(diǎn)（曲線2），這種不同將導(dǎo)致注入氣體介質(zhì)的能量極限值有很大的差別。4不穩(wěn)定性發(fā)展引起的收縮體放電由于內(nèi)在的非穩(wěn)定性很容易收縮。除非能量能在很短的時(shí)間內(nèi)注入到放電空間。收縮現(xiàn)象不是體放電中的獨(dú)特現(xiàn)象，在經(jīng)典輝光放電中也能觀察到。對(duì)于后者一般采用熱不穩(wěn)定模型來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程，精髓在于由于帶電粒子的擴(kuò)散和熱量通過(guò)管壁流失，放電管中的等離子體呈徑向不均勻分布。此時(shí)電子數(shù)密度分布形式為其中，n()0為管軸的電子數(shù)密度，r是電流的徑向距離（以管軸為起點(diǎn)），R是放電管半徑，J0是Bessel函數(shù)。很明顯軸上的能量最高，這將進(jìn)一步加快熱量和帶電粒子從近軸區(qū)逃逸，使這個(gè)區(qū)域的E/N值和電流密度增大，這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到大部分電流流經(jīng)近軸區(qū)。當(dāng)電子數(shù)密度足夠高時(shí)，這個(gè)過(guò)程會(huì)加速。經(jīng)典輝光放電的收縮模型是以這些思想為基礎(chǔ)，收縮是正柱區(qū)發(fā)生的一系列過(guò)程的結(jié)果，而忽略電極附近發(fā)生的過(guò)程。借助于同樣的思想可以解釋體放電的收縮，最廣泛的熱模型已被大家接受。不同的是，此時(shí)沒(méi)有器壁和等離子體的相互作用，假定隨電流密度增大而出現(xiàn)的絲狀放電是隨機(jī)的，可能在放電空間的任意部位出現(xiàn)。體放電的熱收縮問(wèn)題在文獻(xiàn)中已得到解決，發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)定性增長(zhǎng)的特征時(shí)間為：其中，γa是絕熱指數(shù)，當(dāng)注入能量升高時(shí)，收縮時(shí)間變短。在壓力恒定時(shí)，中性粒子來(lái)不及離開電流絲。當(dāng)熱過(guò)程可以被忽略，電離的不穩(wěn)定性發(fā)展會(huì)引起收縮。此時(shí)絲中電流密度的增長(zhǎng)是電子與激發(fā)態(tài)的粒子相碰撞的結(jié)果，假定激發(fā)態(tài)粒子的密度很高，電子同它們相碰撞時(shí)獲得能量，導(dǎo)致絲中電流密度增大。自持放電的電離不穩(wěn)定性發(fā)展問(wèn)題已被解決，一旦某個(gè)態(tài)（具有激發(fā)能I*）在時(shí)間tsat內(nèi)達(dá)到飽和，電子數(shù)密度以指數(shù)形式增長(zhǎng)。其中，tsat=NkTeI*jEI,kTe是電子能量，j是電流密度，I是氣體粒子的電離能，N是粒子數(shù)密度。不穩(wěn)定性發(fā)展引起收縮的模型根據(jù)原因可細(xì)分為電場(chǎng)的局部非均勻性，氣體成分和密度的不均勻性，放電空間激光發(fā)射的不均勻性等。細(xì)分收縮模型存在這樣一個(gè)事實(shí)：體放電階段的時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)放電通道跨越電極間距的時(shí)間。因此對(duì)于相當(dāng)均勻的電場(chǎng)分布，非均勻性均勻發(fā)展直至通道形成的最后一刻歸因于等離子體數(shù)密度快速增長(zhǎng)的結(jié)果。另外，有人也觀察到放電通道交互發(fā)展引起的放電收縮，其原因是高電場(chǎng)區(qū)（電極上的微突點(diǎn)或等離子體元）的不穩(wěn)定性增長(zhǎng)。