Применение метода цифровой голографической интерферометрии для исследования низкотемпературной импульсной плазмы

Предмет исследования. Представлен метод цифровой голографической интерферометрии для регистрации и оценки параметров низкотемпературной плазмы, генерируемой при атмосферном давлении в импульсном режиме. Подобный вид плазмы в настоящее время находит свое применение в медицине и биологии. Существует потребность контроля дозы воздействия и режимов формирования плазменной среды. В качестве контролируемых параметров плазмы рассмотрена концентрация электронов, которая может быть определена путем оценки изменения показателя преломления плазмы в импульсе относительно невозмущенного состояния.

Метод. Рабочей средой формирования импульсов плазмы служил гелий. Частота следования импульсов плазмы составляла 5 кГц, а их длительность — 750 нс. Исследования выполнены на специально разработанном лабораторном комплексе регистрации голографических изображений импульсов плазмы. Голограммы зарегистрированы с использованием цифровой камеры. В качестве источника когерентного излучения выбран импульсный лазер INNOLAS SpitLight Hybrid II с длиной волны 532 нм и длительностью импульса излучения 10 нс. Для точной регистрации импульсов плазмы работа лазера, генератора плазмы и цифровой камеры были синхронизированы между собой. В ходе эксперимента получена серия из 500 голограмм с последующей реконструкцией фазы объектного поля. Анализ последовательности голограмм позволил определить разности фаз, связанных с показателем преломления низкотемпературной импульсной плазмы в гелии. Однако такая плазма создает малую фазовую задержку, что приводит к низкому фазовому контрасту рассчитываемых интерферограмм. С другой стороны, низкий контраст может быть вызван и недостатками системы регистрации. Для доказательства возможности системы записи голограмм проведены предварительные эксперименты с регистрацией плазменной дуги с аналогичными временными параметрами генерации, но с более высоким фазовым контрастом реконструированных изображений.

Основные результаты. Представлены экспериментальные результаты исследования фазового контраста показателя преломления чистого гелия, плазменной дуги и импульсов плазмы в гелии. Доказана работоспособность разработанного экспериментального комплекса и метода получения интерферограмм, основанного на определении показателя преломления в импульсе плазмы.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для оценки электронной концентрации плазмы. В дальнейшем планируется увеличение чувствительности метода с целью повышения фазового контраста за счет расширения спектрального диапазона лазерного излучения при регистрации голограмм путем перехода в другую спектральную область, например, инфракрасную.

1. Weltmann K.D., Kindel E., von Woedtke T., Hähnel M., Stieber M., Brandenburg R. Atmospheric-pressure plasma sources: Prospective tools for plasma medicine // Pure and Applied Chemistry. 2010. V. 82. N 6. P. 1223–1237. https://doi.org/10.1351/PAC-CON-09-10-35

2. Sosnin E.A., Stoffels E., Erofeev M.V., Kieft I.E., Kunts S.E. The effects of UV irradiation and gas plasma treatment on living mammalian cells and bacteria: a comparative approach // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32. N 4. P. 1544–1550. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.833401

3. Zhou Q., Cheng C., Meng Y. Electron density and temperature measurement by stark broadening in a cold argon arc-plasma jet at atmospheric pressure // Plasma Science and Technology. 2009. V. 11. N 5. P. 560–563. https://doi.org/10.1088/1009-0630/11/5/09

4. Vest C.M. Holographic Interferometry. John Wiley&Sons, 1979. P. 387–396.

5. Schnars U., Juptner W. Digital holography. Springer-Verlag and Heidelberg GmbH & Company K, 2005, 164 p. https://doi.org/10.1007/b138284

6. Kreis T. Handbook of Holographic Interferometry: Optical and Digital Methods. John Wiley & Sons, 2006. P. 379.

7. Ostrovskaya G.V., Ostrovsky Y.I. IV Holographic methods of plasma diagnostics // Progress in Optics. 1985. V. 22. P. 197–270. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70150-1

8. Зайдель А.Н. Применение голографической интерферометрии для диагностики плазмы // Успехи физических наук. 1986. Т. 149. № 1. С. 105–138. https://doi.org/10.3367/UFNr.0149.198605d.0105

9. Khanzadeh M., Jamal F., Shariat M. Experimental investigation of gas flow rate and electric field effect on refractive index and electron density distribution of cold atmospheric pressure-plasma by optical method, Moiré deflectometry // Physics of Plasmas. 2018. V. 25. N 4. P. 043516. https://doi.org/10.1063/1.5018054

10. Гусев М.Е., Алексеенко И.В. Методы цифровой стробоголографической интерферометрии в исследованиях механических колебаний // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 11-3. С. 10–17.

11. Takeda M., Ina H., Kobayashi S. Fourier-transform method of fringepattern analysis for computer-based topography and interferometry // Journal of the Optical Society of America. 1982. V. 72. N 1. P. 156–160. https://doi.org/10.1364/JOSA.72.000156