Ученые разработали метод измерения температуры лазерной плазмы — горячего ионизированного газа, формирующегося при облучении какого-либо вещества мощным лазером. Авторам удалось вывести и экспериментально проверить формулу, связывающую температуру плазмы с ее свечением (флуоресценцией). Такой подход позволил построить детальную двухмерную карту распределения температуры в плазменном облаке. Разработка поможет усовершенствовать технологии, в которых используется плазма — от методик определения химического состава вещества до моделирования движения метеоритов в атмосфере Земли. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy.
Лазерная плазма — это ионизированный, то есть состоящий из заряженных частиц газ, который образуется, когда на какое-либо вещество, например, металл, жидкость или газ, воздействуют мощным лазером. Такая плазма используется в некоторых химических методах определения состава вещества, а также при обработке и получении различных материалов. Кроме того, ее используют в качестве среды для лабораторного моделирования вхождения метеоритов в верхние слои атмосферы. Однако, чтобы максимально эффективно использовать лазерную плазму, а также расширить сферы ее применения, нужно знать, что происходит внутри нее, в частности, как меняется температура. При этом исследовать свойства плазмы сложно из-за того, что она живет всего несколько микросекунд и непрерывно меняется в пространстве и времени, а теоретически описать все происходящие в ней процессы невозможно.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) разработали метод флуоресцентной термометрии, позволяющий оценивать, как меняется температура в разных точках факела лазерной плазмы. Для этого авторы адаптировали метод лазерно-индуцированной флуоресценции, который используют для изучения горения.
В рамках такого подхода лазерным светом возбуждают частицы в пламени, заставляя их светиться. По интенсивности свечения (флуоресценции) рассчитывают температуру. Дело в том, что и флуоресценция, и температура совместно зависят от того, какой энергией обладают электроны и атомы. Так, если электроны в атоме «перепрыгивают» на более высокие энергетические уровни, температура и свечение плазмы меняются.
Лучи перестраиваемого лазераТимур ЛабутинФизики изучили формирование плазмы при обработке лазером чистого титана. Именно по атомам титана, «выбиваемым» лазером и поступающим в плазму, авторы рассчитывали ее температуру. Для этого исследователи разработали две «схемы флуоресценции». Они отображали маршруты, по которым электроны в атоме титана «перепрыгивают» между разными энергетическими уровнями при облучении лазером. При этом в предложенных схемах использовались последовательности энергетических переходов, начинающиеся с разных стартовых уровней. Такой подход позволил получить более точные и надежные результаты, чем при применении лишь одной схемы.
Кроме того, исследователи провели соответствующий теоретическим расчетам эксперимент. Авторы использовали два лазера: одним создавали плазму над поверхностью титановой пластины, а вторым точечно возбуждали атомы титана в разных областях плазмы по разработанным схемам. В результате такого возбуждения атомы флуоресцировали, а ученые фиксировали излучение оптическими приборами.
Регистрируя таким образом свечение из разных точек плазменного облака, ученые смогли построить подробные карты интенсивности флуоресценции для обеих схем. Чтобы получить итоговую карту распределения температуры, авторы скомбинировали эти данные по специально выведенной формуле.
Оказалось, что центральная зона плазменного облака с температурой около 3700°C окружена более горячей периферией, нагретой до 5700–7700°C. Ученые объясняют наличие горячей зоны распространением ударной волны, которая нагревает вещество на границе расширяющегося плазменного облака.
«Предложенный подход открывает путь к более точной диагностике плазменных процессов — от лабораторных экспериментов до исследований атмосферы и космических явлений. В дальнейшем мы планируем автоматизировать измерения, чтобы добиться большей детализации при сканировании плазмы, а также попробовать применить нашу методику к другим плазменным источникам», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Тимур Лабутин, кандидат химических наук, доцент кафедры лазерной химии МГУ имени М.В. Ломоносова.
Температурный градиент в центральном поперечном сечении лазерно-индуцированной плазмыBeglaryan et al. / Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2025