Исследование физических явлений в диэлектрических жидкостях инициируемых лазерным излучением

Выпускная квалификационная работа 75 с., 24 рис., 18 источников,7 прил.

Пробой диэлектрических жидкостей, лазерное излучение, механизмы ионизации, расчет, модель келдыша, электроэрозия.

В данной работе проведено комплексное изучение возможности создания, и использования устойчивого проводящего канала в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения.

Была установлена закономерность пробоя. Рассмотрена зависимость вида пробоя от плотности мощности излучения и частоты. Проведен расчет основных параметров пробоя, таких как температура пробоя, расчет значений F(интенсивности) и E(напряженности) излучения, размеры области фокусировки лазерного излучения для реализации цели работы.

Описано создание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

Проведена серия экспериментов для реализации цели работы.

Полученные результаты в виде графиков и схем приведены в данной работе.

Содержание

Введение

1 Цель и задачи работы

2 Аналитический обзор литературы

2.1 Взаимодействие лазерного излучения с атомами

2.2 Структура жидкостей

2.2.1 Пробой жидкостей под действием лазерного излучения

2.3 Создание зоны проводимости путем лазерной фотохимией

2.4 Туннельный эффект в лазерном поле

2.4.1 Применение модели Келдыша-Файсала-Риса в качестве теоретического метода описания туннельного механизма пробоя

3 Физико-математическая модель процессов ионизации вещества под воздействием лазерного излучения

3.1 Набор энергии электроном в осциллирующем поле

3.2.1 Туннельный предел

3.3 Механизм ионизации

3.4 Пробой нашего разрядного промежутка механизмом размножения лавин

4 Материал и методики исследования

4.1 Конструкция экспериментальной установки

4.2 Выбор типа исследуемой жидкости

4.3 Методика экспериментальных исследований

4.4 Методика расчета погрешностей измерений

4.5 Выводы по главе 4

5 Результаты исследований их обсуждение

Общие выводы

Список используемой литературы

Приложения

Введение

В стремительном развитии современной науки и техники одно из первых мест, несомненно, принадлежит разработке и применению оптических квантовых генераторов (ОКГ) – лазеров.

Создание мощных источников когерентного монохроматического излучения - лазеров послужило толчком к изучению физических явлений, возникающих при взаимодействии мощного светового пучка с атомами. В том числе и изучение физической природы явления пробоя жидкости в поле очень интенсивного светового излучения. Понятие фундаментальных механизмов взаимодействия электронов в жидкости с внешним электрическим полем.

Понимание этих механизмов открывает новые перспективные области применения лазерного излучения в науке и технике. В том числе и замена традиционных методов обработки материалов.

1 Цели и задачи работы

Целью работы является изучение возможности, и создание устойчивого проводящего канала в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения. И изучением возможности использования этого канала в области электроэрозионной обработки материалов.

Анализ физических процессов в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения и постоянного внешнего электрического поля, а также исследование литературных источников предопределили необходимость решения следующих задач:

1.         Анализ литературы по данной проблеме.

2.         Разработка математических моделей физических процессов, имеющих место в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения.

3.         Разработка экспериментальной установки и методики проведение эксперимента для влияния излучения СО₂-лазера с выходной мощностью до 100 Вт на изучаемое вещество.

4.         Экспериментальное исследование закономерностей лазерного излучения (ЛИ) на физические процессы в диэлектрической жидкости в указанном диапазоне мощности лазерного излучения.

5.         Обработка полученных результатов эксперимента.

2 Аналитический обзор литературы

2.1 Взаимодействие лазерного излучения с атомами

В начале XX века формулировка А. Эйнштейном закона для фотоэффекта открыла исследования этого процесса, одного из основных процессов, возникающих при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Атомный фотоэффект, именуемый также процессом фотоионизации атома, является вариантом фотоэффекта на атомарном уровне взаимодействия излучения. В первой половине XX века процесс фотоионизации атома был детально изучен экспериментально и описан теоретически [1].

Основной чертой процесса фотоионоизации атома является его однофтонная природа – элементарный акт отрыва электрона от атома происходит в результате поглощения одного фотона. Соответственно на современном уровне этот процесс именуется также однофотонной ионизацией атома [2].

В первой половине XX века были обнаружены, исследованы и описаны также и другие элементарные процессы, возникающие при взаимодействии света с атомом – фотовозбуждение атома, рэлеевское и романовское (комбинированное) рассеивание света атомом.

Рисунок.1. Схемы однофотонных процессов. a – фотоианизация атома, б - фотовозбуждение атома, в - рэлеевское рассеивание света атомом, г - романовское рассеивание света атомом. Е – энергия электрона в атоме, Е_i – потенциал ионизации атома, n – основное состояние, m, q – возбужденные связанные состояния электрона в атоме, прямые стрелки - вынужденные переходы электрона в результате поглощения фотона, волнистые стрелки – свет, рассеянный атомами

В середине XX века были открыты качественно новые явления, возникающие при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Эти открытия были стимулированы революционными изменениями в характеристиках источников света. Появление лазеров дало в руки экспериментаторов монохроматическое излучение оптического диапазона частот гигантской интенсивности, существенно превышающей атомную интенсивность (I_a=3.61*10¹⁶Вт/см). Соответственно напряженность поля лазерного излучения существенно превышает атомную напряженность поля (F_a=5.41*10⁹В/см). Из сравнения этой величины с интенсивностью долазерных источников монохроматического излучения – спектральных ламп – составляющей величину порядка 1-10 Вт/см², ясно, что при взаимодействии лазерного излучения с веществом должна возникнуть качественно новая физика.

Действительно, использование лазерного излучения позволило обнаружить существование помимо процесса однофотонной ионизации атомов также и процесса многофотонной ионизации атомов. Основой чертой

процесса многофотонной ионизации атома является тот факт, что отрыв электрона от атома происходит в результате поглощения нескольких фотонов в одном элементарном акте [1].

Используя лазерное излучение, были обнаружены и многофотонные аналоги других основных однофотонных процессов – многофотонное возбуждение атома, возбуждение высших гармоник при рассеянии света (многофотонное рэлеевское рассеяние света) и гиперрамановское ( многофотонное рамановское) рассеяние света атомом.

Таким образом, использование высокоинтенсивного лазерного излучения привело к возникновению новой главы физики – нелинейного( многофотонного) взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на атомном уровне.

Рисунок.2. Схемы многофотонных процессов. a – многофотонная фотоианизация атома, б - многофотонное возбуждение атома, в – возбуждение высшей (третьей) гармоники падающего излучения, г – гиперрамановское рассеивание света атомом. Обозначения те же, что и на рис. I – состояние электрона, поглотившего один или несколько фотонов.

Обнаружение многофотонных (нелинейных) процессов привело к современному взгляду на однофотонные процессы, как результат реализации предельного случая, когда взаимодействие происходит при малой интенсивности света [2].

За вторую половину XX века процессы многофотонной (нелинейной) ионизации атомов были детально исследованы экспериментально и всесторонне описаны теоретически. К настоящему времени эта глава физики представляет собой исследование, законченное в основных чертах. Этому вопросу посвящены сотни работ, десятки обзоров и ряд монографий.

Поскольку лазерное излучение обладает уникальными свойствами (частота и монохроматичность, мощность, когерентность и малая угловая расходимость) возникла потребность в выяснении особенностей его взаимодействия с атомами. Перейдем к описанию некоторых эффектов, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с атомами.

Ионизацию вещества под действием света называют фотоионизацией.

Основные законы фотоэффекта

1. Число электронов N выбиваемых из вещества под действием света, пропорционально интенсивности светового потока I:

NI , (1)

2. Фотоэлектроны не образуются, если длина волны излучения больше некоторого критического значения (красной границы фотоэффекта), которое характерно для каждого конкретного вещества.

Наличие красной границы фотоэффекта означает, что вещество характеризуется некоторой минимальной энергией (потенциалом ионизации), которую необходимо затратить, чтобы вырвать из вещества один электрон. Энергия каждого фотона определяется его длиной волны с помощью формулы, где с — скорость света. Отсюда видно, что если длина волны слишком велика, то энергии фотона может не хватить для выбивания электрона [2].

Из пропорциональности числа фотоэлектронов интенсивности светового потока следует, что фотоны "рождают" электроны независимо друг от друга.

Потенциалы ионизации разных веществ сильно различаются. От нескольких десятков до нескольких единиц. Поэтому, казалось бы, оптическое излучение не может приводить к ионизации атомов.

Однако такой вывод следует из классических законов фотоэффекта. Если же оптическое излучение является достаточно сильным, то ионизация может произойти вследствие одновременного поглощения нескольких фотонов. Другими словами, большая мощность света отменяет закон о наличии красной границы фотоэффекта: ионизация может произойти под действием излучения с большой длиной волны, если мощность этого излучения достаточно велика. Данное явление получило название многофотонной ионизации [2].

Поскольку при многофотонной ионизации для выбивания одного электрона требуется несколько квантов, фототек перестает линейно зависеть от интенсивности света. Таким образом отменяется и второй закон классического фотоэффекта.

В начале исследований многофотонной ионизации считалось, что зависимость фототока от интенсивности должна быть степенной:

 ; (2)

где показатель степени q определяет минимальное число квантов, необходимых для ионизации.

Согласно квантовой механике, электроны в атомах может находиться лишь в состояниях с некоторыми вполне определенными значениями энергии. Поэтому после поглощения первого фотона, энергия которого недостаточна для ионизации, атом не может ждать, когда к нему подлетит второй фотон, поскольку энергия состояния ожидания запрещена квантовой механикой. Тем не менее случайно (а из-за сложности атомных спектров такие случаи достаточно вероятны) может оказаться, что после поглощения какого-либо фотона энергия атома приблизится к разрешенному энергетическому состоянию [1].

А далее следует учесть, что энергетическое положение этого состояния само зависит от интенсивности лазерного излучения, поскольку интенсивность велика. Возникает явление, называемое динамическим эффектом Штарка и состоящее в изменении атомного спектра лазерным полем. В результате положения атомных уровней начинают меняться с изменением лазерной интенсивности.

В зависимости нелинейного фототока от частоты многофотонное возбуждение проявляется виде резонанса. Поэтому многофотонную ионизацию с промежуточным возбуждением реальных атомных состояний называют резонансной, тогда как ионизацию с отсутствующими промежуточными резонансами называют прямой [2].

Похожие работы

Лазерная технология

Скачать

113333

0

2

... влияющие на точность и воспроизводимость результатов. Области практического применения лазерной размерной обработки ограничены преимущественно получением отверстий не выше 3-го класса точности. Тем не менее, лазерная технология получения отверстий внедрена на ряде предприятий, где с ее помощью получают черновые отверстия (на проблемах внедрения этих процессов мы остановимся позднее). Относительно ...

Разработка системы управления качеством на предприятии

Скачать

310716

12

0

... -текущих планов мероприятий – до исполнения. -перспективных планов мероприятий – 5 лет. Выводы по разделу 1. В первом разделе были рассмотрены теоретические основы управления качеством, являющимися базовыми при разработке системы управления качеством. Был затронут международный опыт данной деятельности. При работе над первым разделом была рассмотрена и представлена в разделе, процедура получения ...