Comparative analytical and numerical investigation of the plasma density in atmospheric air generated by nanosecond laser pulses

等离子体 激光器 纳秒 电离 冲击波 辐射传输 自由电子模型 原子物理学 电子 级联 材料科学 电子密度 计算物理学 物理 离子 光学 机械 化学 色谱法 量子力学
作者
Hristina Delibašić,Konstantinos Kaleris,Nektarios A. Papadogiannis,Vladimir S. Petrović
出处
期刊:Laser Physics Letters [IOP Publishing]
卷期号:21 (3): 033001-033001 被引量:2
标识
DOI:10.1088/1612-202x/ad1cd9
摘要

Abstract Energy deposition via laser-induced breakdown (LIB) in gases or other media and its accompanying secondary light and sound radiative processes are nowadays increasingly deployed in scientific and technological applications. The modeling and control of the breakdown and radiative processes occurring by the interactions of the free electrons with the heavy particles in the partially ionized medium, requires precise spatio-temporal description of the generated free electron density. This work presents an analysis of a free electron rate model describing the free electron density in air plasmas produced by nanosecond laser pulses. The model accounts for multiphoton and cascade ionization, and for electron diffusion, recombination, and attachment. A closed-form expression of the rate model is derived and validated by comparison with experimentally validated numerical solutions, showing very good agreement in a wide range of parameters. Simulation results are presented for different laser pulses and focal spot sizes and analysis is carried out regarding the dependence of the air plasma on the various laser radiation parameters. The presented approach is particularly useful for complex multi-scale models calculating the electron and ion temperature evolution, the thermoelastic expansion and the shock-wave following LIB of gases.

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