09 апреля 2021

В марте в Екатеринбурге молодые сотрудники Лаборатории квантовой электроники (ЛКЭ) Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) Максим Тригуб, Николай Васнев и Павел Гембух совместно с коллегами из Института электрофизики Уральского отделения РАН (ИЭФ УрО РАН) провели серию экспериментальных исследований лазерного факела, образующегося при воздействии импульсов излучения волоконного иттербиевого лазера длительностью ~102–103 мкс на тугоплавкие оксиды. В частности, изучалось разбрызгивание капель расплава микронных размеров из образующегося в мишени кратера. Сложность заключалась в том, что очень яркое свечение лазерной плазмы, состоящей из паров мишени, делает невозможным изучение разбрызгивания капель обычными методами скоростного фотографирования. Провести эксперименты удалось только с помощью активного усилителя яркости на базе CuBr-лазера (лазерного монитора), разработанного сотрудниками ЛКЭ. Полученные в ходе экспериментов данные необходимы для изучения процесса разбрызгивания капель, а в практическом плане – для дальнейшего развития метода получения наночастиц оксидов методом лазерной абляции.

Фото: Николай Васнев, Павел Гембух (ИОА СО РАН); Владимир Осипов (ИЭФ УрО РАН); Максим Тригуб (ИОА СО РАН); Егор Тихонов, Вячеслав Платонов (ИЭФ УрО РАН)

Фото: Николай Васнев и Максим Тригуб

Одно из направлений научной деятельности коллектива ЛКЭ – разработка активных оптических систем с усилителями яркости – лазерных мониторов. Использование лазерного монитора в экспериментах делает возможным получение изображений объектов, экранированных мощной фоновой засветкой, с высоким временным разрешением. Устройство применяется для визуализации быстропротекающих процессов, которые невозможно наблюдать из-за слишком яркого сопровождающего излучения, это – электрические разряды, сварка, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и др. Ключевым элементом монитора является высокочастотный усилитель яркости оптических сигналов. Он был разработан при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта 19-79-10096 «Функциональные преобразователи оптических сигналов в видимом и ближнем ИК диапазонах».

Идея проведения совместных работ зародилась на конференции AMPL-2013, в ходе дискуссии руководителей научных групп Геннадия Евтушенко (ИОА СО РАН) и Владимира Осипова из Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург). Уральские ученые уже приобрели опыт получения нанопорошков тугоплавких оксидов методом лазерного испарения этих материалов в потоке воздуха. Первые совместные с коллегами из ИЭФ УрО РАН эксперименты сотрудники ИОА СО РАН провели ещё в 2014 году. С использованием лазерного монитора ученые исследовали процессы лазерной абляции – испарения вещества с поверхности мишени под воздействием мощного лазерного импульса. В процессе испарения в исследуемой области образуется так называемый лазерный факел – свечение перегретых лазерным излучением паров, из-за высокой яркости которого невозможно получить изображение мишени обычными методами. Горение лазерного факела в воздухе и образование в нём наночастиц зачастую сопровождается разбрызгиванием капель жидкого расплава, что снижает производительность получения нанопорошка. Именно поэтому нужно изучить механизм разбрызгивания капель и найти условия, при которых образование капель будет минимальным. Особенности лазерного монитора – активная спектральная и временная фильтрация – позволяют осуществить регистрацию оптических изображений процесса с помощью высокоскоростной видеокамеры.

Визуализация быстропротекающих процессов помогает получать новые знания о взаимодействии оптического излучения с веществом и решать прикладные задачи обработки материалов, создания математических моделей процессов испарения, совершенствования методов получения нанопорошков, используемых для изготовления оптических элементов.

В ходе совместной работы сотрудники двух академических институтов успешно использовали разработанный в ИОА СО РАН опытный образец лазерного монитора для скоростной видеосъемки лазерного факела. Именно использование этой уникальной аппаратуры и оригинальной методики постановки эксперимента позволили визуализировать процесс разбрызгивания капель расплава в условиях мощнейшей фоновой засветки собственным свечением лазерного факела. В экспериментах достигнута рекордная скорость видеосъемки непосредственно в процессе взаимодействия лазерного излучения с мишенью. Впереди – обработка и систематизация полученных данных, представление результатов исследований научному сообществу, планирование дальнейших совместных работ. 



Текст: Татьяна Дымокурова