نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1. دانشکده‌ی فیزیک، دانشگاه تبریز، صندوق پستی: 5166616471، تبریز ـ ایران

2 2. پژوهشکده‌ی فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 13-14399511، تهران ـ ایران

چکیده

در این پژوهش، برای ایجاد فروشکست اپتیکی در مولکول‌های گوناگون یک تا پنج اتمی، از تپ‌های لیزر TEA CO2 کانونی شده با برشگرهای پلاسمایی با عدسی‌هایی با فاصله­های کانونی 2.5, 5 و 10 cm بهره‌گیری شد. وابستگی رد زمانی تپ‌های انتقال یافته و شکل هندسی جرقه‌ها به توان کانونی‌سازی و هم­چنین، فشار، وزن مولکولی و انرژی یونش گازها به تفصیل بررسی شده است. مشاهده شد که به‌جای حذف کامل دنباله‌ی تپ‌های انتقال یافته، گاهی تنها بخشی از آن­ها حذف می‌شود. برای نمونه، در فاصله‌ی کانونی 2.5 cm  ، یک زمان خاموشی 0.05-2.6 µs  برای همه‌ی گازها در شکل تپ‌ها پدیدار شده است. این زمان خاموشی، برای گاز He در همه‌ی فاصله‌های کانونی دیگر و با اندازه‌ی کوچک­تر دیده می‌شود. با بررسی شکل توده‌های پلاسمایی پدید آمده و مسیر پرتوهای لیزری کانونی شده، نشان داده شد که این رفتار به افت سریع چگالی پلاسما به زیر سطح بحرانی، پیش از پایان یافتن دنباله‌ی تپ لیزری باز می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation on the TEA CO2 laser-induced optical breakdown in different gases and its effect on the pulses shape

نویسندگان [English]

  • S Beheshtipour 1
  • E Safari 1
  • َA Majdabadi 2

چکیده [English]

In this paper, TEA CO2 laser pulses focused by plasma shutters with 2.5, 5, and 10 cm focal lengths lenses were used to generate optical breakdown in various molecules having 1-5 atoms. Moreover, the dependence of the transmitted pulses temporal trace and the sparks geometry on the focusing power, as well as, the gas pressure, molecular weight, and ionization energy were investigated in detail. It has been observed that instead of the complete removal of the tail part in the transmitted pulse shapes, sometimes a fraction of them disappeares. For instance, the quenching time gap which is in the 0.05-2.6 µs range appeares in the transmitted pulse shapes for the 2.5 cm focal length. Such a quenching time at the lower scales, is also observed for He gas with the other focal lengths. The analyses of the generated plasma plume shapes and the focused laser beams paths reveales that this behavior is due to a quick dropping of the plasma density below the critical level before the pulse tail is completed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optical Breakdown
  • TEA CO2 laser
  • Plasma Shutter

1. A. A. A. Offenberger and N. H. Burnett, CO2 laser‐induced gas breakdown in hydrogen, J. Appl. Phys. 43, 4977 (1972).

2. R. T. Brown and D. C. Smith. Laser‐induced gas breakdown in the presence of preionization, Appl. Phys. Lett. 22, 245 (1973).

3. M. P. Hacker, D. R. Cohn and B. Lax. Low‐pressure gas breakdown with CO2 laser radiation, Appl. Phys. Lett. 23, 392 (1973).

4. C. G. Morgan, Laser-induced breakdown of gases, Rep Prog Phys. 38, 621 (1975).

5. J. P. Caressa et al. Experimental study of CO2‐laser‐induced air breakdown over long distances, J. Appl. Phys. 50, 6822 (1979). 

6. F. Martin et al. High-intensity CO2 laser breakdown of low-pressure gas, IEEE TransPlasma Sci. 15, 167 (1987).

7. J. J. Camacho et al. Optical emission spectroscopy of oxygen plasma induced by IR CO2 pulsed laser, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 215206 (2008).

8. J. Tang et al. Observation of laser-induced air plasma by pulsed CO2 laser with an ICCD camera, In: Photonics and Optoelectronics Meetings (POEM): Laser Technology and Applications (SPIE, Wuhan, China, 2008), Vol. 7276, p. 72760F.

9. A. Chen et al. Plume splitting and rebounding in a high-intensity CO2 laser induced air plasma, Phys. Plasmas. 19 (2012).

10. J. Tang et al. Spatio-temporal evolution of las2er-induced air plasma in the stage of laser pulse action, Opt. Commun. 289 (2013).

11. Y. Zhang, D. Y. Li and T. Wu, Shadowgraph of Pulse CO2 Laser Induced Breakdown in Different Pressure Air, Adv. Mat. Res. 887. Trans Tech Publications. (2014).

12. M. Bärwinkel et al. Influence of focal point properties on energy transfer and plasma evolution during laser ignition process with a passively q-switched laser, Opt. Express. 24, 15189 (2016).

13. L. J. Dhareshwar, P. A. Naik and D. D. Bhawalkar, A plasma shutter to generate a synchronized subnanosecond pulse for optical probing of laser‐produced plasmas, ‎Rev. Sci. Instrum. 62, 369 (1991).

14. A. W. Kälin et al. Optical free induction decay (OFID) 10 μm co2 laser systems, Infrared Phys. 33, 73 (1992).

15. Y. Qu et al. Plasma shutter for pulse shaping of TEA CO2 laser, Proc. SPIE 4914, 273 (2002).

16. S. Beheshtipour, et.al, CO2 Laser Pulse Shaping Using Optical Self-Breakdown in Air, Atomic and Molecular Journal of Islamic Azad University, 7th year, NO. 27, Summer 1395. (In Persian).

17. J. J. Camacho et al. Spectroscopy study of air plasma induced by IR CO2 laser pulses, J. Appl. Phys. A, 99, 159 (2010).

18. C.V. Bindhu, et al, Energy Absorption and Propagation in Laser-Created Sparks, Appl. Spectrosc. 58, 719 (2004).

19. W.M. Steen and J. Mazumder, Laser Material Processing, 4th ed. (Springer, 2010).

20. Ya. B. Zel’dovich and U.P. Raiser, Physics of shock Waves and High Temperature Hydrodynamic Phenomena, Ed. by W.D. Hayes and R. F. Probstein, Vol. I. Academic Press, (1966).