О природе электрического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью воды

Андреев С.Н., Ильичев Н.Н., Казанцев С.Ю. (kazan@kapella.gpi.ru), Кононов И.Г., Кулевский Л.А., Пашинин П.П., Фирсов К.Н.

Институт Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН

1. Введение

Исследованиям взаимодействия лазерного излучения различных длин волн с водой в жидком состоянии к настоящему времени посвящено множество работ (см., например, [1-6] и цитированную там литературу), направленных, в основном, на изучение оптической генерации звука, оптического пробоя и распространения света в жидкости при высоких плотностях потока лазерного излучения. Эффект генерирования электрического сигнала при облучении поверхности воды лазером был обнаружен авторами [7]. В этих экспериментах вода, помещенная в кювете между обкладками конденсатора (незаряженного), подвергалась воздействию импульсного YSGG:Cr3+:Yb3+:Ho3+ лазера с длиной волны А = 2.92мкм. В результате этого воздействия на обкладках конденсатора регистрировалась разность потенциалов с амплитудой до 10 мВ, причем плотность потока излучения была существенно ниже порога оптического пробоя на поверхности. Появление электрического сигнала в [7] связывалось с сильным перегревом тонкого поверхностного слоя воды из-за высокого коэффициента поглощения излучения на длине волны А = 2.92 мкм (к = 1.3 -104 см-1). Малые амплитуды регистрируемого сигнала в этих экспериментах, определяемые низкой энергией YSGG:Cr3+:Yb3+:Ho3+ лазера (~ 10 м Дж при длительности импульса по полуамплитуде ~ 150 нс), не позволили провести полномасштабное изучение обнаруженного эффекта, а увеличение энергетических характеристик лазеров данного типа крайне затруднительно.

В представляемой работе, целью которой являлось дальнейшее исследование эффекта генерирования электрического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью воды и ряда других жидкостей, применялся мощный нецепной электроразрядный HF- лазер, в спектре которого (А = 2.6 3.1 мкм) также присутствуют линии с экстремально высокими коэффициентами поглощения в гидроксилсодержащих жидкостях, возможность же увеличения энергии в импульсе практически не ограничена [8].

2. Экспериментальная установка

Эксперименты по генерированию электрического сигнала под действием излучения импульсного лазера проводились с H2O, D2O, а также некоторыми спиртами: этиловым, бутиловым, метиловым, изопропиловым и глицерином. Основная часть исследований была выполнена на дистиллированной воде, объемное сопротивление которой составляло ~10 МОм-см при температуре 20°С. Производилась смена воды после каждых 3-х выстрелов лазера. Максимальная энергия нецепного электроразрядного HF-лазера [9] в импульсе составляла E = 1.4 Дж при длительности импульса по полуамплитуде т = 140 нс. Спектральной селекции излучения не проводилось. Распределение плотности энергии излучения W по радиусу пятна фокусировки с хорошей точностью аппроксимируется гауссовой кривой W(r) = W0 exp(-r2 / a2) с величинами параметра a = 6 мм и a = 8.5 мм при

диаметре лазерного пучка (задаваемого диафрагмами, установленными непосредственно за выходным зеркалом лазера) D = 30 мм и D = 40 мм, соответственно.

Эксперименты проводились как при открытой, так и закрытой прозрачной в ИК области спектра пластиной кварца поверхности жидкости. Схема эксперимента с открытой поверхностью приведена на рис.1 (а). Тонкостенная металлическая (из Al) или диэлектрическая (стекло, полиэтилен) кювета диаметром 40 мм с жидкостью размещалась непосредственно на поверхности одной из обкладок плоского конденсатора. Излучение лазера вводилось через отверстие диаметром 40 мм в верхней обкладке конденсатора. Диаметр обкладок составлял 60 мм, толщина слоя жидкости в кювете - 5 мм, жидкость наливалась до краев кюветы. Расстояние от поверхности жидкости до верхней обкладки варьировалось в пределах d = 0.8 12.8 см. Каждая из обкладок конденсатора подключалась коаксиальным кабелем ко входу двухканального повторителя с входным сопротивлением не менее 25 ГОм, с выходов повторителя сигналы подавались на двухканальный осциллограф Tektronix TDS 220. Разница потенциалов на обкладках конденсатора (результирующий электрический сигнал) получалась вычитанием сигналов на втором и первом каналах, что позволяло снизить влияние на результаты измерений емкостных связей между обкладками и близко расположенными заземленными металлоконструкциями установки.

Луч HF-лазера

Отверстие

Обкладки конденсатора

R3=22 кОм

Канал 1

К осциллографу

Канал 2

Жидкость

Повторители

Луч HF-лазера

Луч He-Ne лазера

Фотодиод

Паро-капельная смесь

Жидкость

Вход О

Ri=25 * 50 Г

Луч HF-лазера

О Выход

.8 кОм

Кварцевое окно

Обкладки конденсатора

К осциллографу

Жидкость

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: а) открытая поверхность жидкости; б) электрическая схема повторителя; в) схема измерения времени разлета паро-капельной смеси; г) закрытая поверхность жидкости.

Повторитель, схема которого приводится на рис.1 (б), был собран на основе микросхемы 140УД18. Время существования (разлета) паро-капельной смеси в промежутке между обкладками конденсатора, образующейся в результате воздействия на жидкость лазерного импульса, контролировалось по отклонению луча He-Ne лазера. С этой целью тонкий луч (диаметром ~1мм) He-Ne лазера пропускался под поверхностью верхней обкладки и попадал на фотодиод (см. рис.1 в). При пересечении луча фронтом паро-капельной смеси сигнал с фотодиода из-за оптического возмущения резко уменьшался, что позволяло измерить время достижения фронтом верхней обкладки, а время, отсчитываемое от начала лазерного импульса до момента восстановления стационарной амплитуды сигнала с фотодиода, соответствовало полному времени в течении которого в промежутке происходит перемещение паро-капельной смеси.

Схема эксперимента с закрытой поверхностью жидкости представлена на рис.1 (г). Тефлоновая кювета с жидкостью, плотно закрытая пластиной из прозрачного в ИК области кварца, зажималась между обкладками конденсатора. Высота столба жидкости в кювете составляла 20 -т 40 мм, его диаметр - 30 мм, диаметр обкладок конденсатора - 60 мм. Регистрация электрических сигналов с обкладок осуществлялась так же, как и в случае открытой поверхности жидкости.

В ряде экспериментов с водой нижней обкладкой конденсатора служила поверхность пьезоэлектрического датчика давления на основе тонкой полимерной пленки ПВДФ площадью 310 мм2, разработанного и откалиброванного в лаборатории Лазерной оптоакустики Международного учебно-научного лазерного центра при МГУ им. Ломоносова. В случае закрытой поверхности это позволяло проследить распространение в воде звуковой волны, возникающей под действием лазерного импульса, и сопоставить сигнал давления с датчика с электрическим сигналом, генерируемым на обкладках конденсатора. Регистрация формы импульса давления при взаимодействии лазера с открытой поверхностью воды дает возможность определения порога объемного взрывного вскипания по плотности энергии излучения. Методика таких измерений описана в [9].

3. Результаты экспериментов и их обсуждение

Увеличение энергии лазера в настоящих экспериментах по сравнению с [7] привело к увеличению разности потенциалов, возникающей на обкладках конденсатора при воздействии на поверхность воды лазерного импульса (как при открытой, так и при закрытой поверхности) более, чем на два порядка. Этому также способствовало применение при измерениях повторителя, поскольку в его отсутствие из-за быстрой разрядки конденсатора (емкость конденсатора составляет ~ 4 пФ) через входное сопротивление осциллографа (1 МОм) искажается форма регистрируемого сигнала и снижается его амплитуда. При максимальной в описываемых экспериментах энергии HF- лазера E = 1.4 Дж амплитуда регистрируемого электрического сигнала в случае открытой поверхности воды достигала 6.5 В, а закрытой - 5 В.

Как и в [7], при облучении тяжелой воды электрический сигнал, из-за низкого коэффициента поглощения излучения в ней, полностью отсутствовал. По-видимому, в тяжелой воде данный эффект будет наблюдаться при генерации химического лазера на молекуле DF (А = 3.7 -т 4.1 мкм). Из исследованных спиртов заметный электрический сигнал был получен лишь на глицерине, но его амплитуда (как с открытой, так и закрытой поверхностью) оказалась приблизительно в 300 раз меньше, чем на воде. Рассмотрим подробнее результаты экспериментов с водой.

3.1 Открытая поверхность воды

Типичные осциллограммы электрического сигнала, снимаемого с обкладок конденсатора при взаимодействии излучения лазера с открытой поверхностью воды, приведены на рис. 2 (а, б). Сигнал содержит относительно короткий первый пик, начинающийся на фронте лазерного импульса, и медленно нарастающую вторую составляющую с большей амплитудой. Длительность фронта нарастания первого пика

а б

Рис. 2. Осциллограммы электрического сигнала при открытой поверхности воды на разных развертках осциллографа: 500 мкс/дел. (а), 2.5 мс/дел. (б). d = 19 мм, D = 40 мм, E = 1.4 Дж.

составляет ~1.5 мкс при длительности спада по полуамплитуде ~30 мкс. Длительность переднего фронта второй составляющей сигнала тф зависит от расстояния между поверхностями воды в кювете и верхней обкладки конденсатора d (см. рис. 1 (а)), увеличиваясь с увеличением d. Величина тф хорошо коррелирует с временем перемещения (разлета) в промежутке между обкладками паро-капельной смеси, измеряемым по отклонению луча He-Ne лазера (см. рис.1 (в)). Таким образом, рост электрического сигнала (зарядка конденсатора) после первого короткого пика можно, безусловно, связать с разлетом паро-капельной смеси после воздействия лазерного импульса на поверхность. Соотношение амплитуд первого и второго максимумов в зависимости от условий фокусировки и величины d составляет 5 0.3 * 0.5, при заданных условиях фокусировки это соотношение слабо зависит от энергии лазерного импульса. На рис. 3 приведены зависимости амплитуды второго максимума электрического сигнала U и величины тф по уровню 0.9 от энергии лазерного излучения E, снятые при следующих условиях: диаметр несфокусированного лазерного пучка D = 30 мм, расстояние от поверхности воды в кювете до верхней обкладки конденсатора d = 60 мм. Из этого рисунка видно, что зависимость U от E близка к линейной, электрический сигнал должен обратиться в нуль при E = Eth 0.3 Дж, т.е. эффект

генерирования электрического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью воды имеет пороговый характер (усредненная по пятну фокусировки пороговая плотность энергии лазера составляет Wth 0.27 Дж/см ). Как и следовало ожидать,

длительность фронта второй составляющей тф увеличивается с уменьшением E из-за уменьшения скорости разлета паро-капельной смеси. Отметим, что при максимальном для графика на рис. 3 значении энергии лазера E = 0.72 Дж скорость движения фронта паро-капельной смеси, измеренная на расстоянии 1 см от поверхности воды, составила ~50 м/с.

=5 1,0

0,5 0,0

0,3 0,4

0,5 0,6 E, Дж

40 35 30 25

20 i

15 H

10 5

Рис. 3. Зависимости амплитуды U и длительности фронта нарастания по уровню 0.9 тф электрического сигнала от энергии лазерного импульса E. Открытая поверхность воды, d = 60 мм, D = 30 мм.

Приведенные экспериментальные результаты позволяют на качественном уровне интерпретировать природу электрического сигнала, возникающего при взаимодействии лазера с поверхностью воды.

1. Пороговость наблюдаемого эффекта по плотности энергии излучения на поверхности воды, очевидно, должна определяться пороговым характером процессов испарения и вскипания воды под действием лазерного излучения (порог оптического пробоя на поверхности здесь не достигается). Таким пороговым процессом, как известно [6,10], является объемное взрывное вскипание. Несмотря на малую (~ 1 мкм) глубину проникновения излучения с рассматриваемым спектральным составом в воду, максимум температурного профиля при лазерном нагреве смещен вглубь [6]. Поэтому, при достижении температуры предельного перегрева (спинодали), вскипание инициируется под поверхностным слоем, что сопровождается его сбросом (отколом) [6] и разлетом (разбрызгиванием) в виде паро-капельной смеси. Измеренный в настоящей работе по методике [9] порог объемного взрывного вскипания воды по плотности лазерной энергии WtB = 0.23 Дж/см2, в пределах экспериментальной погрешности совпадает с определенным

выше из рис. 3 порогом появления электрического сигнала на обкладках конденсатора. Таким образом, эффект генерирования электрического сигнала в описываемых экспериментах можно связывать с процессом объемного взрывного вскипания воды и последующего разлета паро-капельной смеси под действием лазерного излучения. Известно также, что

поверхностный слой дипольных жидкостей, в том числе и воды, спонтанно поляризован (см, например, [11]). Поэтому можно, вероятно, полагать, что первый, быстро нарастающий, пик электрического сигнала на рис. 2, начинающийся на фронте лазерного импульса, обусловлен именно разрушением поверхностного электрического слоя при объемном взрывном вскипании и его восстановлением по мере остывания воды и прекращения кипения. Вычисления с использованием модели, подробно описанной в [10], дают оценку величины времени остывания поверхности воды после взрыва до комнатной температуры ~50 мкс, что близко к длительности заднего фронта первого пика электрического сигнала на рис.2. (Напомним, что соотношение амплитуд первого и второго максимумов электрического сигнала при открытой поверхности воды слабо зависят от энергии лазерного излучения. Поэтому, установив пороговый характер эффекта по второму максимуму, мы можем, вероятно, отнести данный факт и к первому).

2. Как указывалось выше, длительность переднего фронта медленно нарастающей части электрического сигнала на рис.2, тф, хорошо коррелирует с временем перемещения в промежутке между обкладками конденсатора паро-капельной смеси, разлетающейся после сброса поверхностного слоя. Давно известен эффект электризации воды (и других дипольных жидкостей) при их разбрызгивании (дроблении) [11] - баллоэлектрический эффект. На его основе (идея Томсона - Кельвина, согласно [11]) могут быть созданы генераторы высокого напряжения с разностью потенциалов до 3 кВ [13]. Естественно полагать, что и в рассматриваемом нами случае рост электрического сигнала в течении времени перемещения между обкладками конденсатора паро-капельной смеси объясняется именно баллоэлектрическим эффектом. В пользу такой интерпретации свидетельствует знак электрического сигнала на осциллограммах рис. 2. Разница потенциалов на обкладках получается вычитанием сигнала на 1-м канале осциллографа из сигнала на втором (см. рис.1. (а)). Поэтому положительный электрический сигнал в данном случае указывает на перемещение в промежутке между обкладками отрицательного заряда, характерного для баллоэлектрического эффекта при дроблении (разбрызгивании) чистой воды на мелкие капли [12]. Оценки заряда, переносимого паро-капельной смесью, для условий, в которых были получены осциллограммы на рис.2, дают величину q = 8 * 9 -10 11 Кл (емкость конденсатора с кюветой, заполненной водой, составляет ~4 пФ, емкость соединительного кабеля на каждом входе повторителя - 30 пФ). Отметим, что если генерирование электрического сигнала действительно обусловлено электризацией воды при объемном взрывном вскипании и разбрызгивании поверхностного слоя, то этот эффект должен наблюдаться и на других длинах волн при превышении по энергии порога объемного взрывного вскипания, например, при облучении поверхности CO2 - лазером.

3.2. Закрытая поверхность воды

Типичные осциллограммы электрического сигнала, генерируемого при облучении лазером закрытой поверхности воды, приведены на рис. 4 (а-б). (Высота столба воды в кювете 20 мм, диаметр несфокусированного лазерного пучка D = 40 мм, E = 1.3 Дж.) Как видно из рис. 4, электрический сигнал в данном случае имеет достаточно сложную форму. Он не является униполярным, на его огибающую наложены характерные колебания. Длительность сигнала от начала до момента установления стационарного значения превышает 5 мс. Первый максимум сигнала достигается с большой задержкой (~60 мкс) по отношению к лазерному импульсу, когда облученный слой воды успевает остыть до температуры ~ 40° С (оценка температуры получена при использовании модели, описанной в

[10]).

На рис. 5 представлена осциллограмма электрического сигнала, снятая при прямом (без повторителя) подключении обкладок конденсатора к входам оциллографа. На ней присутствуют колебания с теми же периодами, что и на рис. 4, но в целом сигнал значительно

Рис. 4. Осциллограммы электрического сигнала на разных развертках осциллографа при закрытой поверхности воды: 100мкс/дел. (а) и 500 мкс/дел. (б). Высота столба воды 20 мм, D = 40 мм, E = 1.3 Дж.

укоротился из-за разрядки конденсатора через относительно малое (1 МОм) входное сопротивление осциллографа. Интересно, что по форме, характеру колебаний и даже полной длительности электрический сигнал, показанный на рис.5, очень похож на сигналы электромагнитной эмиссии (регистрируемые аналогичными по принципу применяемым в настоящих экспериментах емкостными датчиками), наблюдаемые при ударном возбуждении бетонов [14,15]. Авторы [14,15] объясняют появление электромагнитного отклика акустомеханическим возбуждением колебаний двойных электрических слоев на границах

зерен в бетоне. По аналогии можно предположить, что и в рассматриваемом нами эксперименте электрический сигнал связан с прохождением через кювету водой звуковой волны, возникающей результате ударного нагрева тонк водяного слоя у кварцевого окна (см. рис.1). Действительно, как показали измерения с использованием датчика давления, в условиях настоящих экспериментов с закрытой поверхностью формируется звуковая волна с амплитудой давления до 150 Бар. Двойные электрические слои образуются как на границах воды с поверхностями кюветы и кварцевой пластины, так и на поверхностях микропузырьков газа, присутствующих в воде [16]. Поэтому, и в рассматриваемых здесь условиях возможно возбуждение (разрушение) двойных электрических слоев

СШ 200mVEto СН2 200тУБы W 250 ш

с в

тонкого

Ert \ 104mV

Рис. 5. Осциллограмма электрического сигнала при закрытой поверхности воды в отсутствие повторителя. D = 40 мм, E = 1.3 Дж.

б

а

звуковой волной, что должно приводить к генерированию электрического сигнала. Нельзя также исключить вклад в электрический сигнал кавитационных явлений, сопровождающихся электрическими разрядами в газовых включениях в воде [17], поскольку из-за дифракции звука и его отражения на границе поверхность кварцевого окна - воздух в звуковой волне должна появляться составляющая с отрицательным давлением.

Таким образом, представления о возбуждении или разрушении двойных электрических слоев звуковой волной, формирующейся в результате резкого перегрева тонкого слоя воды под поверхностью кварцевой пластины лазерным излучением, позволяют на качественном уровне интерпретировать появление разности потенциалов на обкладках конденсатора при облучении воды с закрытой поверхностью. Однако нельзя напрямую связать наблюдаемые в эксперименте периоды колебаний на огибающей электрического сигнала с временем двойного прохода звуковой волны через кювету (26.7 мкс), что, казалось бы, должно быть естественным, если эффект генерирования электрического сигнала обусловлен распространением в воде звуковой волны. При этом полная длительность сигнала, снимаемого с датчика давления, близка к длительности электрического сигнала. Однако сопоставление спектров обоих сигналов не позволяет найти корреляции между ними. Непонятна также большая задержка первого максимума электрического сигнала относительно лазерного импульса. В связи с этим представляются целесообразными дальнейшие исследования эффекта с контролем распространения звуковой волны. По-видимому, представляют интерес и прямые измерения изменений проводимости воды, вызванных лазерным воздействием.

4. Заключение

Таким образом, в настоящей работе исследовалась природа возникновения электрического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью воды и ряда других жидкостей с применением нецепного электроразрядного HF- лазера. При облучении воды как с отрытой, так и закрытой поверхностью зарегистрированы электрические сигналы с амплитудой более 5 В при энергии излучения HF- лазера E = 1.4 Дж. На качественном уровне наблюдаемое явление интерпретировано следующим образом. В случае открытой поверхности электрический сигнал генерируется в результате объемного взрывного вскипания воды со сбросом и разбрызгиванием ее поверхностного слоя, разрушения электрического слоя на поверхности и разлета в промежутке электризованной паро-капельной смеси (баллоэлектрический эффект). В случае закрытой поверхности воды появление электрического сигнала можно связывать с возбуждением (разрушением) двойных электрических слоев звуковой волной, формирующейся из-за сильного перегрева тонкого слоя воды в зоне воздействия лазерного излучения. В заключение следует еще раз подчеркнуть сугубо качественный уровень подобной интерпретации. Представляется целесообразным проведение дальнейших экспериментов и теоретических исследований с построением количественных моделей.

Авторы выражают искреннюю благодарность В.П. Макарову за полезные обсуждения работы.

Работа поддержана грантами РФФИ № 06-02-08032-офи, 05-0208311-офи, 06-0216779.

Литература

1. Аскарьян Г.А., Прохоров А.М., Чантурия Г.Ф., Шипуло Г.П., ЖЭТФ 1963. Т.44. с. 2180

2. Водопьянов К.Л., Кулевский Л.А., Пашинин П.П., Прохоров А.М., ЖЭТФ. 1982. Т.82. с.

1820

3. Водопьянов К.Л., Кулевский Л.А., Михалевич В.Г., Родин А.М., ЖЭТФ 1986. Т. 91. с. 114

4. Михалевич В.Г., Родин А.М., Судостроительная промышленность. Серия: Акустика 1987.

Вып. 2, с. 105

5. Витшас А.Ф., Дорожкин Л.М., Дорошенко В.С., Корнеев В.В., Менахин Л.П., Терентьев А.П., Акустический журнал 1988 . Т. 34. С. 437-444

6. Андреев С. Н., Карташов И. Н., Самохин А. А., Краткие сообщения по физике ФИАН 2003. №.6. C.10-21

7. Ильичев Н.Н., Кулевский Л. А., Пашинин П.П., Квантовая электроника. 2005. Т. 35, №10,

с. 959

8. Белевцев А.А., Фирсов К.Н., Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4. Газовые и плазменные лазеры. Физматлит 2005, стр. 761-763.

9. Andreev S.N., Firsov K.N., Kononov I.G., Samokhin A.A., Proceedings of SPIE, vol. 6161,

616104

10. Андреев С.Н., Орлов С.В., Самохин А.А., Труды ИОФАН 2004. Т.60. с. 127

11. Салем Р.Р., Теория двойного слоя, М.: Физматлит. 2003. 104 с.

12. Арабаджи В.И., Загадки простой воды, М.: Знание, 1973

13. Гегузин Я.Е., Капля, М.: Наука, 1973, 160 с.

14. Фурса Т.В., Савельев А.В., Осипов К.Ю., ЖТФ, 2003, Т.73, в. 11, с. 59

15. Фурса Т.В., Хорсов Н.Н., Батурин Е.А., ЖТФ, 1999, Т.69, в. 10, с. 51

16. Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В., ЖЭТФ, 1992, Т.101, в.2, с.512

17. Маргулис М.А., Звукохимические реакции и сонолюминисценция. М.: Химия, 1986.