Влияние лазерного луча на электрические разряды

В. Шведов, Е. Пивнев, А.Р. Давоян, У. Кроликовски, А.Е. Мирошниченко

Резюме

Возбуждение и направление электрических разрядов на требуемые цели в окружающей атмосфере в течение десятков лет были предметом активных исследований. Способность контролировать разряд и его распространение могут подготовить почву для широкого спектра применений: от наноиндустрии и плазменной медицины до мониторинга за загрязнением атмосферы и, в конечном итоге, приручения молний. Многочисленные эксперименты с использованием мощных импульсных лазеров с пиковой интенсивностью выше порога фотоионизации и фотодиссоциации воздуха продемонстрировали возможность возбуждения и ограничения плазменных дорожек в зонах лазерного поля. В настоящей статье мы предлагаем и демонстрируем эффективный подход к инициированию, захвату и направлению электрических разрядов в воздухе. Он основан на использовании маломощного вихревого луча с незатухающей волной, который захватывает и перемещает светопоглощающие частицы в воздушной среде. Мы продемонстрируем 30%-е уменьшение порогового значения для протекания разряда, обусловленное оптически захваченными графеновыми микрочастицами при использовании лазерного луча мощностью несколько сотен милливатт. Наша демонстрация может стать основной для реализации процесса направления электрических разрядов по произвольным траекториям.

Введение

Электрические разряды в газах наблюдаются в разнообразных высоковольтных системах(1), а также во время естественного явления — молнии (2). Плазменные разряды играют важнейшую роль в процессе осаждения материалов и производственных технологиях (3,4), являющихся основой нанотехнологий и полупроводниковой электроники. Высоковольтные разряды имеют фундаментальное значение для физики ускорителей и источников высокоэнергетических фотонов (5,6,7). В свою очередь, маломощные атмосферные разряды в последнее время стали надежным инструментом плазменной медицины при лечении онкологических заболеваний (8,9,10,11,12). Несмотря на то что физика электрических разрядов и искрообразования хорошо изучена (1,13), эффективный контроль сверхбыстрых процессов лавинного пробоя и последующее направление разрядов по прогнозируемым траекториям в окружающем воздухе представляют значительную трудность (14).

Развитие лазерных технологий открывает новые горизонты в инициировании и направлении электрических разрядов (15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27). В частности, импульсные лазерные лучи с интенсивностями электрического поля выше порога фотоионизации воздуха продемонстрировали возможность индукции плазменных каналов, в которых можно поддерживать и направлять электрический разряд (20,21,22,23,24,25,26,27). Такая прямая оптическая индуцируемая полем фотоионизация требует очень высоких интенсивностей оптического поля, сопоставимых с полем атомных связей (от ~1011 до 1012 В м−1). Применение таких лазерных лучей с высокой импульсной мощностью может ограничивать сферы применения. В то же время, насколько нам известно, не существует каких-либо методов контроля электрических разрядов с помощью маломощных лазерных лучей.

В настоящей статье мы демонстрируем принципиально новый подход к индукции и направлению электрического разряда по заданным траекториям до требуемых целей по длинным дистанциям в воздухе. Наш подход не основан на фотоионизации, а вместо этого мы локально контролируем среднюю длину свободного пути электронов в окружающем воздухе и адаптируем условия для электрического пробоя.

Результаты

Пробой воздуха под воздействием лазерного излучения и механизм оптического захвата

Ключевым аспектом нашего метода является манипуляция оптической системой дальнего действия, т. е. лучом света, который управляет светопоглощающими частицами в окружающем воздухе (28,29,30,31), см. рис. 1а. В частности, путем захвата, размещения и нагрева этих частиц с помощью лазерного луча в воздушном пространстве мы локально повышаем температуру воздуха и изменяем условия пробоя (см. рис. 1b, c), обеспечивая движение разряда по устойчивым заданным траекториям. Единственным требованием нашего метода является преобразование лазерного излучения в теплоту захваченных частиц, что предполагает гибкость процесса с точки зрения выбора материала частиц. Таким образом, наш метод работает в равной степени хорошо и с металлами, и с диэлектриками. Наш подход фундаментально отличается от разработанных ранее методов с высокой интенсивностью света и импульсными лазерами (см. вспомогательный рис. 1) и дает новые возможности для изучения его потенциала с целью достижения более высокой эффективности и применения в системах более дальнего действия.

Рис. 1. Механизмы пробоя воздуха и направления разряда под воздействием лазерного излучения

Рис. 1. Механизмы пробоя воздуха и направления разряда под воздействием лазерного излучения

Electrode - Электрод
Hot particles - Горячие частицы
Laser beam - Лазерный луч
Discharge - Разряд
nm - нм
cm-1 - см-1

Вихревой лазерный луч захватывает частицы и одновременно нагревает их (a), что приводит к локальному снижению плотности воздуха и повышению средней длины свободного пути электронов λ_MFP в нагреваемых областях вокруг частиц (b). Это существенно увеличивает коэффициент ионизации Таунсенда α (c) в горячих зонах, что приводит к снижению порогового значения разряда. Для разъяснения физических принципов нашего подхода мы начинаем с простой модели, в которой реализован сценарий с одной частицей, размещенной между двумя параллельными электродами в воздухе. Пробой воздуха и образование разряда связаны с лавинной ионизацией. Их можно описать следующим условием пробоя (20):

1=γe^αl,

(1)

где γ — это постоянная, характерная для данной установки, l — это расстояние между пластинами конденсатора, а Формула — это коэффициент ионизации Таунсенда, λe — это средняя длина свободного пути электрона, E_i — это энергия ионизации; V_b — это искомое напряжение пробоя, а e — это элементарный заряд. Оказалось, что коэффициент ионизации Таунсенда α в значительной степени зависит от средней длины свободного пути электрона λ_e, как показано на рис. 1c. В частности, если средняя длина свободного пути увеличивается в три раза (по сравнению со стандартными условиями), то коэффициент ионизации α изменяется на 12 порядков величины (см. вспомогательный комментарий 1 для подробной информации). Таким образом, за счет изменения средней длины свободного пути электрона λ_e, например, посредством изменения давления или температуры газа, можно значительно изменять коэффициент ионизации и, вследствие этого, условие пробоя V_b/l. Действительно, большая средняя длина свободного пути предполагает, что электроны набирают более высокую кинетическую энергию между столкновениями, что приводит к существенному повышению вероятности ионизации.

Электрический разряд, индуцируемый нагретой микросферой

Для простейшей иллюстрации нашего принципа сначала берем одну сферу диаметром 1 мм, размещенную между двумя плоскими электродами с межэлектродным расстоянием 10 мм (или больше), как показано на рис. 2a–c. В силу ее размера (частица диаметром 1 мм в межэлектродном расстоянии 10 мм (или больше)) мы можем с уверенностью предполагать, что частица слишком мала, чтобы изменять электрический потенциал между пластинами. Когда лазерный луч выключен, вся система ведет себя как обычный конденсатор с воздушным зазором и параллельными пластинами. При этих условиях воздушный пробой и образование дуговых разрядов предполагаются, когда подаваемое напряжения находится выше порогового значения для заданного межэлектродного расстояния (т. е. V ≥ Vb при заданном l)(1).

Рис. 2. Электрический разряд, индуцированный нагретой микрочастицей

Рис. 2. Электрический разряд, индуцированный нагретой микрочастицей

Hole - Отверстие
Discharge - Разряд
Electrode - Электрод
Cold sphere - Холодная сфера
Laser beam - Лазерный луч
Hot sphere - Горячая частица
Temperature - Температура
Distance, z (mm) - Расстояние z (мм)
Breakdown voltage - Напряжение пробоя
mm - мм
Time - Время

Одна микрочастица зафиксирована между двумя параллельными электродами, на которые подается напряжение вблизи порогового значения пробоя воздуха. Когда частица холодная, электрический пробой может происходить по произвольным траекториям, как правило, в виде дуг на краях электродов (a). Нагрев сферы лазерным лучом приводит к направлению разряда через сферу (b). Нагретая сфера притягивает электрическую искру даже после выключения лазера (c). Теоретический расчет (d) показывает температурное распределение по нагретой сфере диаметром 1 мм (вспомогательный комментарий 2). Теоретический расчет (e) показывает пороговое значение напряжения пробоя для фиксированных межэлектродных расстояний в зависимости от температуры сферы в диапазоне наших экспериментальных условий (для более высокой температурной шкалы см. вспомогательный рис. 3). Пунктирная линия на рисунке e обозначает напряжение постоянного тока, подаваемое во время эксперимента (V = 32 кВ). Экспериментальные графики (f, g) демонстрируют явление как зависимость измеренной температуры 1-миллиметровой металлической (серый) и стеклянной (синий) сферы от времени нагрева под воздействием лазера при трех разных уровнях мощности (f) или охлаждения, когда лазер выключен (g). Вероятности пробоя между электродами показаны синим, зеленым и желтым цветами для напряжения 32 кВ и межэлектродного расстояния l₁ = 10 мм, l₂ = 12 мм и l1 = 13 мм. Точки данных показаны кружками. Линия — это численная динамика изменения температуры поверхности.

Под воздействием лазерного излучения частица нагревается за счет поглощения света, и для подаваемого напряжения предполагается разряд на уровне ниже порогового значения для этого межэлектродного расстояния (рис. 2b). Аналогичным образом, разряд произойдет даже после блокировки лазерного луча, пока частица все еще горячая (рис. 2c). В устойчивом состоянии температура частицы зависит от мощности лазерного луча, поглощающей способности частицы и теплопроводных свойств на границах раздела сред. На рис. 2d представлен типичный температурный профиль частицы и окружающего воздуха. Локальное изменение температуры окружающего воздуха изменяет температуру и, соответственно, среднюю длину свободного пути электрона (см. также рис. 1c):

Формула

(2)

где k_B — это постоянная Больцмана, σ_i — это сечение ионизации, а p — это давление окружающей среды. Более высокая средняя температура в канале и, следовательно, большая средняя длина свободного пути означают, что существуют благоприятствующие ионизации пути, и в целом приводят к более низкому пороговому напряжению пробоя. На рис. 2e показано расчетное напряжение пробоя с изменением температуры частицы. Эта простая модель прогнозирует >20%-е снижение напряжения пробоя для частицы, нагретой до 200°C, т. е. 28 кВ для расстояния 10 мм. Это означает, что изменения локальной температуры приводят к образованию канала с благоприятной для движения разряда траекторией. Действительно, воздушные области с более высокой температурой соответствуют более длинным средним расстояниям перемещения электронов между столкновениями, что приводит к более высокой вероятности ионизации воздуха в этих областях (рис. 1c). Контролируя распределение температур, например, посредством размещения нескольких светопоглощающих частиц, можно создать определенную траекторию движения разряда в воздухе. Следует отметить, что частица лишь играет роль посредника при пробое за счет лазерного нагрева; ее материал (диэлектрик или металл) не играет никакой роли в газовой динамике или лавинных процессах.

Для количественного представления описанного выше сценария мы провели серию экспериментов с электропроводными (сферы из нержавеющей стали с 300 нм углерода) и диэлектрическими (темное стекло) светопоглощающими сферами. Сферы имеют диаметр 1 мм и зафиксированы на стеклянном стержне в средней точке между двумя пластинчатыми электродами, отклоняемыми при подаче напряжения постоянного тока 32 кВ. После этого мы установили межэлектродное расстояние с одним из трех фиксированных значений: 10, 12 или 13 мм, и исследовали процесс формирования разряда в зависимости от температуры частицы под воздействием лазера с незатухающей волной (Verdi V5 на 532 нм). Для этого мы измеряли временные колебания температуры сферы при нескольких значениях мощности лазера (рис. 2f), одновременно регистрируя процессы образования разрядов с помощью CCD-камеры (см. раздел «Методы»). Наблюдаемую вероятность пробоя мы фиксировали на линейчатой диаграмме с накоплением на рис. 2f. Сначала, когда лазер выключен, температура сферы равна температуре окружающего воздуха, т. е. примерно 22°C. Для межэлектродного расстояния 10 мм при этом условии отдельные разряды наблюдаются лишь рядом с краями электродов, как показано на рис. 2a (см. вспомогательное видео 1 и вспомогательное видео 2). Как и ожидалось, при расстояниях 12 и 13 мм разряды не наблюдаются, так как подаваемое напряжение намного ниже порогового значения пробоя воздуха при этих расстояниях. При использовании лазерного излучения, так как температура сферы достигает около 150°C, мы наблюдали, что условие для пробоя воздуха выполняется, при этом через сферу при расстояниях 10 и 12 мм проходит четкий разряд, как схематически показано на рис. 2b (см. вспомогательное видео 1 и вспомогательное видео 2). При межэлектродном расстоянии 13 мм разряд все равно не происходит. При дальнейшем повышении температуры сферы до более 350°C разряд происходит, и он проходит только через сферу при всех трех расстояниях (см. рис. 2f и вспомогательное видео 3). Такая модель поведения определенно соответствует нашей теоретической оценке для условия пробоя (см. рис. 2e).

Вспомогательное видео № 1. Направление электрического разряда с помощью фиксированной диэлектрической микросферы
Данное видео демонстрирует процесс направления электрического разряда по траектории, проходящей через диэлектрическую сферу, нагретую лазером и зафиксированную на стержне. Расстояние между электродами составляет 10 мм, подаваемое напряжение равно 32 кВ (т. е. близко к напряжению пробоя при нормальных условия), а мощность лазерного луча, облучающего сферу, составляет 500 мВт. Изначально лазер выключен, а разряд происходит по случайным траекториям. Однако разряд проходит через сферу, когда частица нагревается при облучении (т. е. при включенном лазере).

Вспомогательное видео № 2. Направление электрического разряда с помощью фиксированной металлической микросферы
Данное видео демонстрирует процесс направления электрического разряда по траектории, проходящей через фиксированную нагреваемую лазером сферу из нержавеющей стали, покрытую слоем углерода 300 нм. Расстояние между электродами составляет 10 мм, подаваемое напряжение равно 32 кВ (т. е. близко к напряжению пробоя при нормальных условиях), а мощность лазерного луча равна 1000 мВт. Здесь, опять же, разряд проходит через сферу при облучении лазером.

Вспомогательное видео № 3. Субпороговое инициирование электрического разряда с использованием нагреваемой лазером фиксированной микросферы
Данное видео демонстрирует процесс инициирования электрического разряда с помощью нагреваемой лазером микросферы при субпороговых условиях, т. е. когда расстояние между электродами больше, чем при пробое в нормальных условиях. В данном случае расстояние между электродами составляет 12 мм, подаваемое напряжение равно 32 кВ, а мощность лазерного луча, облучающего сферу, равна 500 мВт. Лазер облучает сферу все время. Инициирование и последующее направление разряда через сферу происходит, когда температура сферы достигает 1500C.

Для уточнения роли лазера в образовании разряда мы определяли вероятность разряда после выключения лазера, но пока сфера остается горячей (см. рис. 2c, g). Разряд всегда происходит, когда температура сферы выше порогового значения (рис. 2g), что также соответствует прогнозу по нашей модели (рис. 2e). При высоких температурах разряд не зависит от лазерного излучения (т. е. от того, включен ли лазер) и материала сферы. Таким образом, как для металлической (вспомогательное видео 4), так и для диэлектрической (вспомогательное видео 5) сфер были получены идентичные результаты, указывающие на то, что разряд не зависит от электрических свойств частицы. Мы сделали вывод, что при образовании разряда не проявляются ни термоионная эмиссия, ни процессы фотоионизации.

Вспомогательное видео № 4. Направление электрического разряда с помощью горячей металлической микросферы
В данном видео представлено экспериментальное доказательство того, что эффект направленного электрического разряда не вызван электронной фотоэмиссией при лазерном облучении. Нагретая металлическая микросфера стимулирует пробой и направление электрического разряда даже после блокировки лазерного луча. Расстояние между электродами составляет 10 мм, а подаваемое напряжение равно 32 кВ.

Вспомогательное видео № 5. Направление электрического разряда с помощью горячей диэлектрической микросферы
Данное видео содержит экспериментальное доказательство того, что эффект направленного электрического разряда не зависит от электрических свойств микросферы. Горячая стеклянная микросфера стимулирует пробой и направление электрического разряда даже после блокировки лазерного луча. Расстояние между электродами составляет 10 мм, а подаваемое напряжение равно 32 кВ.

Мы подчеркиваем, что предложенный подход для направления разряда по траектории из областей с повышенной температурой существенно отличается от продемонстрированных ранее методик, в которых использовали высокоинтенсивные и импульсные лазеры, см. рис. 1a, b. Если говорить более конкретно, то было показано, что при использовании импульсных лазеров с высокой пиковой мощностью может быть индуцирована ионизация газа по траектории прохождения лазерного луча. Прямое взаимодействие между лазером и плазмой и необходимость в коротких энергетических импульсах ограничивают эффективность и дальность распространения. В нашей методике не используется прямая лазерная ионизация воздуха, и, следовательно, она лишена этих ограничений. Кроме того, наш метод работает в условиях облучения при незатухающей волне и может быть реализован при уровнях мощности на уровне милливатт, т. е. при порядках величины, которые меньше, чем во время выполняемых ранее демонстраций.

Оптический захват для контроля и направления разряда

Далее, мы показываем, что разряд можно направлять по определенным траекториям с помощью подвешенных в воздушном пространстве частиц. Для этого мы используем оптический захват вихревым лучом (28,29,30). На рис. 3 показана экспериментальная конфигурация нашей установки для индуцированного лазерным излучением пробоя воздуха. Более конкретно, мы помещаем светопоглощающие графеновые частицы (размером 100–1000 мкм) в межэлектродное пространство с использованием медленно расходящегося лазерного вихревого луча (см. раздел «Методы»), распространяющегося через круглое отверстие в первом электроде. В данном случае лазерный луч играет сразу две роли: переносчика частиц и источника тепла для них. При достаточной мощности лазера температура частицы вырастает выше порогового значения, инициирующего электрической пробой (рис. 3, вкладка). Здесь мы используем графеновые частицы, которые являются легкими, обладают высокими поглощающими свойствами и могут выдерживать высокие температуры. Однако нашу концепцию можно расширить также на частицы из других материалов (например, высокотемпературные материалы с низким коэффициентом распыления, способные выдерживать многократные разряды), а также на частицы, специально разработанные для эффективного захвата (30). Во время наших экспериментов частицы переносятся в направлении распространения луча. Тем не менее можно разработать оптическую установку, в которой частицы переносятся на большое расстояние и устойчиво размещаются в определенном положении в воздушном пространстве с помощью оптических лучей (30).

Рис. 3. Экспериментальная конфигурация и принципы использования оптического вихревого луча для контроля и направления разряда

Electrode - Электрод
Vortex beam - Вихревой луч
Ion wind - Ионный ветер
Electrical discharge - Электрический разряд
Trapped particles - Захваченные частицы

Сначала готовят микрочастицы, которые помещают в закрытый контейнер с вертикально расположенными электродами (слева). Применяемое электрическое поле через стенки контейнера поднимает частицы под воздействием электростатических сил. Некоторые из поднятых частиц пересекают пустую сердцевину луча CW-лазера в виде кольца и застревают в ней. Вихревой луч лазера направляет частицы в воздушное пространство: частицы из контейнера переносятся в камеру с параллельными пластинами через отверстие в одном из электродов. Кроме того, частицы нагреваются этим же лазерным лучом, создавая между электродами термический канал, что приводит к электрическому пробою на субпороговом уровне. На вкладке показана фотография экспериментальной установки с частицами, захваченными в луче. Четко видно канализацию разряда по траектории луча (вспомогательное видео 6).

Вспомогательное видео № 6. Образование термического канала захваченными графическими частицами в воздухе
Данное видео демонстрирует захват тяговым лучом и транспортировку частиц в пространство между двумя плоскими электродами. При нагреве частицами создается канал с благоприятными для направления разряда условиями. Разряд происходит, но его не видно из-за высокого рассеяния света от частиц. Подаваемое напряжение составляет 32 кВ.

Вспомогательное видео № 7. Пример электрического разряда в пустом воздухе
Данное видео демонстрирует электрический разряд в отсутствие частиц между электродами (расстояние 10 мм, 32 кВ). Разряд происходит по случайным траекториям, берущим начало и заканчивающимся преимущественно на краях электродов.

Вспомогательное видео № 8. Инициирование электрического разряда частицами, направляемыми вихревым лучом
Данное видео демонстрирует стимуляцию электрического разряда цепью нагретых графеновых частиц, захваченных и направляемых в вихревом лазерном луче. Разряд не видно из-за высокого рассеяния света от частиц. Когда подача частиц прекращается (как показано в левой части кадра с электрическим разрядом в вертикальной кювете), разряд больше не направляется, а вместо этого следует по произвольным траекториям рядом с краями электродов. Расстояние между плоскими электродами составляет 10 мм, а подаваемое напряжение равно 32 кВ.

На рис. 4 приведены CCD-изображения нескольких проведенных экспериментов, которые демонстрируют работу луча-переносчика и иллюстрируют роль лазерного излучения в процессе образования разряда. В данном случае межэлектродное расстояние зафиксировано на 10 мм, а подаваемое напряжение составляет 32 кВ, т. е. близко к пробою при нормальных условиях. В случае зафиксированной на стержне частицы электрический разряд происходит преимущественно на краях электрода, где электрическое поле является максимальным (рис. 4a), как и ожидается для ситуации без облучения; см. также рис. 2a. Очевидно, что частица не играет никакой роли в образовании или направлении разряда. В соответствии с физическими принципами, подробно описанными выше, при облучении частицы лазером разряд проходит прямо через нее (рис. 4b). Если между электродами нет частиц (рис. 4c и вспомогательное видео 7), то динамика разряда такая же, как у обычного конденсатора с параллельными пластинами, и не зависит от лазерного поля; ср. рис. 4a. Однако когда вихревой луч захватывает и переносит частицы в межэлектродное расстояние, электрический разряд всегда следует по траектории через частицы (рис. 4d и вспомогательное видео 8). Этот сценарий по существу повторяет динамику разряда в случае зафиксированной облученной частицы, описанной выше (рис. 4b). Однако в отличие от случая с зафиксированной частицей наш вихревой луч осуществляет удаленный перенос частиц в нужное положение, таким образом обеспечивая точный контроль за траекторией электрического разряда в воздушном пространстве. Следует отметить, что наша экспериментальная установка позволяет переносить частицы только в направлении распространения луча. Таким образом, для создания стабильной траектории разряда требуется постоянная подача частиц. Однако систему оптической доставки можно модифицировать для стабильного захвата и размещения частиц в нужном положении, обеспечивая таким образом оптически перестраиваемую траекторию разряда.

Рис. 4. Экспериментальное исследование процесса образования пробоя и направления разряда

Рис. 4. Экспериментальное исследование процесса образования пробоя и направления разряда

a, b CCD-микрофотографии, поясняющие роль зафиксированной частицы и ее нагрева лазером при пробое и направлении разряда: без облучения при близких к пробою условиях разряд следует по произвольным траекториям (a), а с облучением (b) разряд всегда направляется через частицу. c, d демонстрируют работу вихревого луча-переносчика. В отсутствие захваченных в луче (c) частиц лазерный луч не воздействует на разряд (ср. изображение a). Однако когда частицы захвачены вихревым лучом и переносятся в область между электродами, разряд всегда проходит через частицы. Во всех этих случаях напряжение составляет 32 кВ, а межэлектродное расстояние равно 10 мм, т. е. близко к воздушному пробою при нормальных условиях. Используется CW-лазер с длиной волны 532 нм и мощностью 500 мВт.

Laser off - Fixed particle
Лазер выключен - Зафиксированная частица
Laser on - Fixed particle
Лазер включен - Зафиксированная частица
Laser on - No particles
Лазер включен - Нет частиц
Laser on - Trapped particle
Лазер включен - Захваченная частица

При захвате множества частиц, расположенных близко друг к другу, создается дополнительная возможность образования благоприятных разрядных каналов (см. вспомогательный рис. 2 и вспомогательный комментарий 3). В этом случае разряд направляется по нужным траекториям, определяемым положением захваченных частиц. Такие каналы могут быть значительно длиннее максимального межэлектродного расстояния l_max для заданного порогового напряжения V_b при нормальных условиях. На рис. 5a–c подробно приведена соответствующая экспериментальная демонстрация. Без частиц, захваченных в лазерном луче, разряд наблюдается при стандартных условиях пробоя. В нашем случае для подаваемого напряжения V_b = 32 кВ это соответствует максимальному межэлектродному расстоянию lmax = 10 мм. При большем воздушном зазоре (т. е. l > l_max) пробой невозможен. Захват множества частиц вдоль лазерного канала изменяет условие пробоя путем создания более длинного проводящего пути для направления разряда. На рис. 5b, c продемонстрирован пробой и образование разряда при межэлектродных расстояниях 15 мм и 25 мм соответственно, то есть полтора и два с половиной максимальных расстояния при нормальных условиях (вспомогательное видео 9 и вспомогательное видео 10).

Вспомогательное видео № 9. Электрический разряд, стимулируемый частицами, захватываемыми вихревым лучом
Данное видео демонстрирует электрический разряд, стимулируемый частицами, захватываемыми и нагреваемыми в тяговом лазерном луче. Начальный видимый разряд происходит по траектории, соединяющей частицы, захваченные в луче. В течение некоторого времени после этого, несмотря на то что луч больше не переносит другие частицы, некоторые разряды все же проходят рядом с лучом из-за остаточного влияния канала горячего воздуха, создаваемого начальным разрядом. По мере того как температура в канале возвращается к нормальному состоянию, разряды следуют по произвольным траекториям. Расстояние между электродами составляет 10 мм, а подаваемое напряжение равно 32 кВ.

Вспомогательное видео № 10. Инициирование и направление электрического разряда на большое расстояние с помощью лазерного луча
Данное видео демонстрирует эволюцию электрического разряда в случае захвата множества частиц. Электрические искры распространяются через 30-миллиметровый промежуток по траектории, соединяющей все частицы, захваченные внутри тягового луча. Подаваемое напряжение (32 кВ) намного ниже порогового значения пробоя воздуха при 1 атм для расстояния 30 мм.

Рис. 5. Электрический разряд со множеством захваченных частиц, направляемый вихревым лучом

Рис. 5. Электрический разряд со множеством захваченных частиц, направляемый вихревым лучом

a Демонстрация электрического пробоя при стандартных условиях (напряжение 32 кВ и расстояние 10 мм) без захваченных частиц. b, c Демонстрация наблюдения направленного электрического разряда со множеством захваченных частиц для воздушных зазоров 15 мм и 25 мм соответственно.

10 mm - 10 мм

Обсуждение

В итоге, наши эксперименты и теоретические прогнозы демонстрируют, что при направлении захваченных частиц оптическим лучом пороговые условия для электрического пробоя могут существенно уменьшаться, и разряд может направляться по заданной траектории в воздухе. В настоящей статье мы использовали одновихревой луч-переносчик и продемонстрировали направление разряда по прямой линии. Однако наш подход можно применять и в более сложных сценариях. Следует отметить, что мы предусмотрели направление электрических разрядов по сложным трехмерным траекториям в окружающем воздухе с использованием множества и (или) пространственно модулированных лучей, в том числе лучей, распространяющихся по криволинейной траектории, таких как вихревые лучи Эйри31,32. Кроме того, предложенная нами методика относится и к атмосферам с другим составом газов и (или) уровнем давления. Более того, использование маломощного лазера с незатухающей волной гарантирует простоту реализации и является основой для различных применений, таких как управление высоковольтными системами1, микротехнология и машинная обработка3,4, прецизионная микрохирургия и терапия онкологических заболеваний8,9,10,11,12, а также управление атмосферными молниями2,33.

Методы

Подготовка вихревого луча-переносчика

Во время экспериментов мы использовали лазерный луч TEM01 с распределением интенсивности в виде кольца. Интенсивность такого луча можно представить следующим образом:

Формула

(3)

где I₀ обозначает максимальную интенсивность, ρ — это радиальная координата, измеряемая по оси луча, z — это осевая координата по оси луча, w₂ = w₀²(1 + z²λ² /(4π^₂w0⁴) — это перетяжка луча с распространением, w₀ — это начальная перетяжка (при z = 0), а λ — это длина волны луча CW-лазера.

Этот луч был получен с использованием стандартного поляризационного преобразования циркулярно поляризованного Гауссового луча (30,34). Более конкретно, луч CW-лазера (λ = 532 нм) проходил через двухосевой KTP-кристалл длиной 2 мм, расположенный между двумя идентичными объективами микроскопа (NA = 0,25). Одной из оптических осей кристалла была ось, совпадающая с направлением распространения луча. Это привело к конической рефракции света и образованию луча с комплексной поляризационной структурой. После прохождения через четвертьволновую пластину и поляризатор распределение интенсивности луча стало кольцеобразным и имело однофазный профиль (т. е. топологически заряженный оптический вихрь). Перетяжку луча w₀ можно было изменять посредством изменения расстояния между объективами микроскопа. В нашей экспериментальной установке мы выбрали w₀ = 0,5 мм, что обеспечивает очень малое расхождение луча с практически однородным профилем интенсивности через всю экспериментальную установку (см. рис. 1).

Пустая сердцевина луча использовалась для захвата и переноса частиц, как подробно описано в тексте статьи. Когда частицы достигали заданного положения между электродами, мы подавали 32 кВ на главные электроды так, чтобы электрический ветер (35) предотвращал их движение в противоположном направлении. Это позволяло стабилизировать движение частиц вдоль луча и предотвращало достижение электрода до образования разряда. Следует отметить, что здесь полярность электродов не имеет решающего значения.

Измерения температуры

Температуру стальных и диэлектрических сфер, зафиксированных на стержне, и температуру захваченных частиц измеряли с помощью CCD-камеры, которую сначала откалибровали с использованием термопары. Для этого мы сначала прикрепляли металлическую сферу к контакту термопары и размещали ее в точном положении лазерного луча, где происходил захват. Затем мы измеряли температуру сферы в этом положении при разных значениях интенсивности лазерного луча. В это же время высокое разрешение CCD-камеры (в черно-белом режиме), прикрепленной к микроскопу, позволило получить серию изображений сферы в ИК-режиме. Свет от сферы, который достигал CCD-матрицы, проходил через узкополосный фильтр (NF), который отсекал все видимое лазерное излучение (532 нм). Затем, сравнивая фактическую температуру, измеряемую с помощью термопары, с интенсивностью излучаемого ИК-света, регистрируемого ССD-камерой, мы получали температурную шкалу, которая использовалась для определения температуры частиц, захваченных и переносимых световым лучом.

Измерение вероятности пробоя

Для определения вероятности образования электрического разряда в присутствии горячих частиц мы измеряли температуру разряда, который проходил через металлические или стеклянные сферы размером 1 мм. Сферы, зафиксированные между электродами с подаваемым напряжением, нагревали лазерным лучом разной мощности или охлаждали, когда лазерный луч был заблокирован. При нагревании температура сфер постепенно повышалась в зависимости от мощности лазера и времени облучения до тех пор, пока не достигала порогового значения пробоя для заданного межэлектродного расстояния. И наоборот, когда лазерный луч блокировали, сферы постепенно остывали, и разряд исчезал, когда температура сфер достигала определенного значения. Мы проводили этот эксперимент по 20 раз для каждой сферы в режимах нагрева/охлаждения и регистрировали наблюдения для тех же начальных условий (т. е. напряжение и межэлектродное расстояние). Затем результаты этих измерений использовались для формирования гистограмм вероятности разряда, показанных на рис. 2f, g.

Информация об авторах

Центр лазерной физики, Научная школа физики, Австралийский национальный университет, г. Канберра, Австралия
В. Шведов, Е. Пивнев и У. Кроликовски
Научная программа, Техасский механико-сельскохозяйственный университет в Катаре, г. Доха, Катар
В. Шведов и У. Кроликовски
Факультет машиностроения и авиакосмической техники, Университет Калифорнии, г. Лос-Анджелес, США
А.Р. Давоян
Инженерный и ИТ-факультет, Университет Нового Южного Уэльса, г. Канберра, Австралия
А.Е. Мирошниченко

Справочные материалы

Wadhwa, C. L. High Voltage Engineering (New Age International, Kerala, 2006).
Dwyer, J. R. & Uman, M. A. The physics of lightning. Phys. Rep. 534, 147–241 (2014).
Shearn, M., Sun, X., Henry, M. D., Yariv, A. & Scherer, A. Advanced plasma processing: etching, deposition, and wafer bonding techniques for semiconductor applications. Semicond. Technol. 1, 79–104 (2010).
Hamaguchi, S., Agarwal, S., Zajickova, L. & Wertheimer, M. R. Plasmas for microfabrication. Plasma Process. Polym. 16, 1990001 (2019).
Winterberg, in Physics of high energy density, (eds Caldirola, P. & Knoepfel, H.) p. 370ff (Academic, New York, 1971).
Gschwendtner, E. & Muggli, P. Plasma wakefield accelerators. Nat. Rev. Phys. 1, 246 (2019).
Depressed, A. et al. Demonstration of a circularly polarised plasma-based soft-X-ray laser. Phys. Rev. Lett. 115, 083901 (2015).
Kong, M. G. et al. Plasma medicine: an introductory review. N. J. Phys. 11, 115012 (2009).
Gregory, F., Friedman, G., Gutsol, A., Shekhter, A. B. & Vasilets, V. N. Applied plasma medicine. Plasma Process. Polym. 5, 503–533 (2008).
Hoffmann, C., Berganza, C. & Zhang, J. Cold atmospheric plasma: methods of production and application in dentistry and oncology. Med. Gas Res. 3, 21 (2013).
Yan, D., Sherman, J. H. & Keidar, M. Cold atmospheric plasma, a novel promising anti-cancer treatment modality. Oncotarget 8, 15977 (2017).
Keidar, M. et al. Cold atmospheric plasma in cancer therapy. Phys. Plasmas 20, 057101 (2013).
Meek, J. M., & Craggs, J. D. Electrical Breakdown of Gases (Clarendon Press, Oxford, 1978).
Raizer, Y. P. Gas Discharge Physics (Springer, Berlin, 1997).
Vaill, J. R., Tidman, D. A., Wilkerson, T. D. & Koopman, D. W. Propagation of high-voltage streamers along laser‐induced ionisation trails. Appl. Phys. Lett. 17, 20–22 (1970).
Guenther, A. H. & Bettis, J. R. A review of laser-triggered switching. Proc. IEEE 59, 689–697 (1971).
Koopman, D. W. & Wilkerson, T. D. Channelling of an ionising electrical streamer by a laser beam. J. Appl. Phys. 42, 1883–1886 (1971).
Ball, L. M. The laser lightning rod system: thunderstorm domestication. Appl. Opt. 13, 2292–2296 (1974).
Aihara, Y. & Shindo, T. Development of long gap discharges guided by a pulsed CO2 laser. J. Phys. D 26, 1244–1252 (1993).
Wang, D. et al. A possible way to trigger lightning using a laser. J. Atmos. Sol. 57, 459–466 (1995).
Miki, M., Shindo, T. & Aihara, Y. Mechanisms of guiding ability of laser-produced plasmas on pulsed discharges. J. Phys. D 29, 1984 (1996).
Comtois, D. et al. Triggering and guiding leader discharges using a plasma channel created by an ultrashort laser pulse. Appl. Phys. Lett. 76, 819–821 (2000).
Tzortzakis, S. et al. Femtosecond laser-guided electric discharge in air. Phys. Rev. E 64, 057401 (2001).
Rodríguez, M. et al. Triggering and guiding megavolt discharges by use of laser-induced ionised filaments. Opt. Lett. 27, 772 (2002).
Scheller, M., Born, N., Cheng, W. & Polynkin, P. Channeling the electrical breakdown of air by optically heated plasma filaments. Optica 1, 125–128 (2014).
Clerici, M. et al. Laser-assisted guiding of electric discharges around objects. Sci. Adv. 1, e1400111 (2015).
Polynkin, P. et al. Channeling the dielectric breakdown of air by a sequence of laser-generated plasma filaments. J. Opt. Soc. Am. B 36, 3024–3029 (2019).
Shvedov, V. G. et al. Optical vortex beams for trapping and transport of particles in the air. Appl. Phys. A 100, 327–331 (2010).
Shvedov, V. G. et al. Giant optical manipulation. Phys. Rev. Lett. 105, 118103 (2010).
Shvedov, V., Davoyan, A. R., Hnatovsky, C., Engheta, N. & Krolikowski, W. A long-range polarisation-controlled optical tractor beam. Nat. Photon. 8, 846 (2014).
Smalley, D. E. et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature 553, 486 (2018).
Wei, B.-Y. et al. Vortex Airy beams directly generated via liquid crystal q-Airy-plates. Appl. Phys. Lett. 112, 121101 (2018).
Wolf, J. P. Short-pulse lasers for weather control. Rep. Prog. Phys. 81, 026001 (2017).
Turpin, A., Loiko, Y., Kalkandjiev, T. K. & Mompart, J. Free-space optical polarisation demultiplexing and multiplexing by means of conical refraction. Opt. Lett. 37, 4197–4199 (2012).
Park, S., Cvelbar, U., Choe, W. & Moon, S. Y. The creation of electric wind due to the electrohydrodynamic force. Nat. Commun. 9, 371 (2018).