Визуализация плазмоиндуцированных процессов проекционным микроскопом с усилителем яркости на основе лазера на парах меди
Скачать 64.1 Kb.
|
- Навигация по данной странице:
- ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПЛАЗМОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКЦИОННЫМ МИКРОСКОПОМ С УСИЛИТЕЛЕМ ЯРКОСТИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ
Визуализация плазмоиндуцированных процессов проекционным микроскопом… А.П. КУЗНЕЦОВ, А.С. САВЁЛОВ, А.Н. ТЕРЁХИН, Р.О. БУЖИНСКИЙ1 Московский инженерно-физический институт (государственный университет) 1Центр естественно-научных исследований ИОФ РАН, Москва ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПЛАЗМОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКЦИОННЫМ МИКРОСКОПОМ С УСИЛИТЕЛЕМ ЯРКОСТИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ Представлен метод визуализации зон взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно во время взаимодействия. Экспериментально показана возможность динамической визуализации поверхности объекта через плазму с линейной плотностью 1017 см-3 и толщиной ~3 см. Предложена и разработана схема теневого фотографирования фазовых объектов с использованием проекционного лазерного микроскопа. Получены тенеграммы плазменного факела эрозионного капиллярного разряда в воздухе. Со времен создания в 1973 году [1] лазерный проекционный микроскоп является уникальным прибором, позволяющим не только получать изображения объектов с большим коэффициентом увеличения, но и усиливать яркость этих изображений. Последнее достигается за счет использования когерентного усиления собственного, отраженного от исследуемого объекта, излучения в активной среде лазера. В наиболее распространенной – моностатической – схеме лазерного проекционного микроскопа используется один лазер, выступающий как в роли излучателя, так и усилителя изображения. Достоинством такой схемы является простота ее реализации. Однако максимальное расстояние между объектом исследования и лазером принципиально ограничено длительностью существования инверсии в активной среде, < 50 нс. Соответственно максимальное расстояние до объекта, на котором может быть получено его изображение в моностатической схеме, не превышает 7 м. На рис.1 представлена принципиальная схема экспериментального стенда проекционного микроскопа с усилителем яркости на основе Cu-лазера [2] (длина волны излучения = 510,6 нм, длительность импульса 30 нс, частота следования импульсов 14 кГц, средняя мощность 3 Вт). Р Поле зрения, увеличение и качество изображения в лазерном микроскопе определяются выбором объективов проекционной системы (рис. 2). Так, например, при использовании в качестве объектива линзы диаметром 50 мм и фокусным расстоянием 210 мм поле зрения с С практической точки зрения наибольший интерес представляет применение лазерного проекционного микроскопа для наблюдения в реальном времени зон взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностью различных веществ непосредственно во время взаимодействия. Основной фактор, затрудняющий наблюдение этих зон обычными методами, заключается в образовании над ними ярко светящейся плазмы. Наличие сильной фоновой засветки не позволяет использовать оптические методы диагностики, в частности визуальный контроль. Использование лазерного микроскопа позволяет решить эту проблему, так как регистрация изображения происходит в узком спектральном диапазоне < 10–3 нм, определяемом шириной линии усиления, за время длительности импульса. Высокая яркость изображения на выходе системы обеспечивается усиливающими свойствами лазерных сред с коэффициентами усиления до 1 см–1, что позволяет получить однопроходное усиление слабого сигнала ~104. 
В работе исследованы возможности метода для наблюдения изображения объектов, находящихся на расстояниях до 5 м от лазера при сильной фоновой засветке. Исследовалась возможность визуализации поверхности при нахождении перед ней ярко светящейся плазмы В качестве фоновой засветки использовалась плазма эрозионного капиллярного разряда в воздухе [3]. Температура плазмы в максимуме тока T ≈ 8600 К, электронная плотность ne ≈ 5 · 1016 см–3. На рис.3 представлено характерное изображение, получаемое в этой схеме. В качестве тестового объекта использовалась пластина из нержавеющей стали с нанесенной на нее лазерным маркером квадратной сеткой: расстояние между штрихами 250 мкм, толщина штриха 100 мкм. На снимке видна светлая область, обусловленная сквозным проходом света плазмы через лазерную трубку. Яркость пятна определяется временем экспозиции камеры (7 мкс), яркость изображения объекта – длительностью лазерного импульса (30 нс). При размещении зеленого светофильтра перед камерой засветка от плазмы устраняется. Отметим, что даже при отсутствии спектральной фильтрации качество изображения поверхности объекта не ухудшается из-за наличия засветки. Практически все публикации посвященные применению проекционного микроскопа на основе Cu-лазера посвящены визуализации поверхностей твердых тел [4,5]. Работ же, посвященных визуализации градиентов показателя преломления среды, насколько нам известно, не было. Вместе с тем за счет достаточно короткой длительности импульсов с помощью лазера на парах меди можно регистрировать контрастные изображения быстро протекающих процессов, а частота повторения 10÷30 кГц позволяет проводить многокадровую съемку и получать информацию о пространственно-временной динамике плазменного образования. В представленной работе усилитель яркости был применен для теневого фотографирования динамических процессов плазмообразования в двух оптических схемах: традиционной, когда лазер использовался в качестве внешнего осветителя [6], и внутрилазерной. На рис. 4 представлены теневые фотографии факела эрозионного капиллярного разряда, полученные с помощью визуализирующей диафрагмы диаметром 500 мкм.
Рис. 4. Теневые фотографии факела эрозионного капиллярного разряда В случае внутрилазерноой визуализации тенеграмм излучение, отклоненное на градиенте плотности среды от первоначального направления, попадает в активную среду. Если угол отклонения луча превышает апертурный угол усилителя, то на изображении область пространства, в которой произошло отклонение, будет выглядеть более темной. Для повышения чувствительности к локальным возмущениям оптической плотности необходимо использовать оптические пучки с минимальной, дифракционной расходимостью. В работе это было достигнуто за счет формирования низкодобротного плоского резонатора, внутри которого помещался исследуемый объект. На рис. 5 приведены теневые изображения процесса плазмообразования эрозионного капиллярного разряда, полученные в интервале от 0 до 70 мкс от момента поджига разряда. На всех представленных изображениях хорошо видна граница возмущения среды. Характер процесса плазмообразования в значительной степени определяется диаметром капилляра. При диаметре не превышающем 1 мм наблюдается истечение плазмы в виде струи с сильной турбулизацией. Эрозия поверхности капилляра приводит к увеличению его диаметра, и уже через 20–30 импульсов он достигает размера ~4 мм. В этом случае истечение газа носит ламинарный характер близкий к сферическому фронту.
Рис. 5. Теневые изображения процесса плазмообразования эрозионного капиллярного разряда в воздухе На рис. 6, а приведены изображения плазменного разряда в режиме стробоскопирования. Это достигалось увеличением времени экспозиции камеры до 500 мкс, что позволяло за один кадр регистрировать 6-7 лазерных импульсов. Из анализа изображения была рассчитана скорость истечения плазмы: ~ 30 м/с.  На рис. 6, б приведено изображение, полученное при времени задержки кадра относительно момента поджига разряда < 20 мкс. На снимке отчетливо видна тонкая черная область, по форме напоминающая часть окружности с центров внутри капилляра. Оценка скорости распространения этого объекта, (~ 290 м/с) и характерный вид свидетельствуют о том, что регистрируется сферическая ударная волна, формирующаяся в момент взрывного плазмообразования внутри капилляра. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Земсков К.И., Исаев А.А., Казарян М.А. и др. // Квантовая электроника. 1974. Т. 1. С. 13. 2. Григорьянц А.Г. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применение / А.Г. Григорьянц, М.А. Казарян, Н.А. Лябин. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. 3. Кузнецов А.П., Голубев А.А., Савёлов А.С. и др., // ПТЭ. 2006. №2. С. 109. 4. Земсков К. И., Исаев А. А., Казарян М. А. и др. // Квантовая электроника. 1976. Т. 3. С. 35. 5. Петраш Г. Г. Оптические системы с усилителями яркости / Г. Г. Петраш. М.: Наука, 1991. 6. Вовченко Е.Д. Лазерные методы диагностики плазмы / Е.Д. Вовченко, А.П. Кузнецов, А.С. Савелов. М.: МИФИ, 2008. Каталог: data -> scientific-sessions data -> «Сотовый телефон и безопасность здоровья» data -> Фонограммы как доказательства по гражданским делам data -> Психология индивидуальности data -> Аспергиллез (aspergillosis) data -> Реферат тема: "Урология". План История развития урологии 2 data -> Примерные темы, проблемы и направления курсовых работ scientific-sessions -> В. И. Литвиненко1, П. И. Бидюк2, А. А. фефелов3, и. В. баклан4 scientific-sessions -> Молекулярные механизмы памяти: управление консолидацией кластеров метаботропных рецепторов Скачать 64.1 Kb. Поделитесь с Вашими друзьями:
|
