چکیده: هدف این پایان نامه، شناخت انبساط پلاسما و تحلیل نظری و تجربی آن در زمین? واکنش های گداخت به روش محصور سازی اینرسی (icf) می باشد. برای حصول این هدف، انبساط پلاسما بر اساس توصیف سیالی و معادلات حرکت و پیوستگی مورد مطالعه قرار گرفته است. این معادلات در رژیم همدمایی در مختصات کروی حل شده است. با استفاده از رهیافت خود تشابهی و تغییر متغییر های مناسب معادلات نهایی برای حل عددی ساده شده است. نمودار تغییرات چگالی با مقدار های مختلف ثابت جدایی رسم شده و همچنین نمودار تغییرات شعاع و توان نیز با شرط همدمایی نشان داده شده است.

در این پایان نامه، پدیده فرساب لیزری مورد مطالعه تجربی قرارگرفته است. فرساب نمونه هدف های متفاوتی از جنس فلز و پلیمر، تحت شرایط متعارفی در شدت ها و تعداد تپ های گوناگون باریکه لیزر مورد بررسی قرار گرفتند. عمق و قطر حفره کنده شده به کمک یک میکروسکوپ نوری اندازه گیری شد و نتایج بدست آمده مورد تحلیل قرارگرفت. مقادیر تجربی برای جرم کنده شده و رفتار عمق موضع فرسائیده در نمونه های پلکسی گلس و لاستیک سیلیکون با افزایش تعداد تپ ها روندی افزایشی از خود نشان می دهد. این رشد در آلومینیم کاهش می یابد. نرخ جرم کنده شده با افزایش شارش باریکه لیزر در هرنمونه افزایش می یابد. برای پلیمر ها نرخ فرساب برحسب شاریدگی لیزر با مدل فتوشیمیایی و گرما-نوری طبق رابطه سازگار است. برای فلز مدل صرفاً گرما-مکانیکی فرآیند کندگی را توصیف می کند. در این حالت، نرخ کندگی با افزایش تعداد تپ های لیزر روندی کاهشی به صورت تابعی نمایی و نزولی را دنبال می کند.

در این پژوهش به منظور شناخت برخی ویژگی های پلاسمای حاصل از برخورد پرتو لیزر با ورقه نازک آلومینیوم و به دست آوردن کمیت های سرعت جبهه موج و دمای پلاسما یک رشته اندازه گیری هایی انجام شد. یافته های این تحقیق چگونگی پیشروی موج یون- صوت حاصل از پلاسمای تشکیل شده در محیط را نشان می دهد. هر چه زمان بیشتری از تشکیل پلاسما می گذرد و پلاسما بیشتر در محیط منتشر می شود سرعت انتشار آن کاهش یافته تا به مقدار تقریباً ثابتی می رسد. پس از ثبت نتایج حاصل از آزمایش برای پلاسمای سطح جلویی و پشتی در می یابیم که به ازای انرژی ثابت رفتار پلاسمای حاصل از هر دو سمت هدف، با گذشت زمان یکسان است، یعنی با افزایش فاصله جبهه موج نسبت به ورقه آلومینیوم، در هر دو مورد سرعت و دما کاهش می یابند. اما اگر رفتار پلاسمای سطح جلویی وپشتی را در یک زمان معین مقایسه کنیم، مشخص می شود، سرعت و دمای پلاسمای سطح جلویی بیشتر از سرعت ودمای پلاسمای سطح پشتی خواهد بود. آزمایش ها در انرژی های متفاوتی تکرار شد. نتایج نشان می دهند، با کاهش انرژی لیزر پرتو برهمکنش امکان تشکیل پلاسما از سطح پشتی هدف کمتر می شود. در بازه زمانی 10 تا 100 نانو ثانیه هنگامی که انرژی پرتو بر همکنش 192 میلی ژول باشد، مقدار سرعت برای سطح جلویی از به و برای سطح پشتی از به می رسد. همانطور که مشاهده می شود سرعت انتشار پلاسمای سطح جلویی بیشتر از سرعت انتشار پلاسمای سطح پشتی است. بیشترین دمای محاسبه شده برای سطح جلویی 9/23 الکترون ولت و برای سطح پشتی 96/7 الکترون ولت است پس از گذشت 90 نانو ثانیه دما در سطح جلویی ورقه آلومینیومی به 28/3 الکترون و برای سطح پشتی به 153/0 الکترون ولت می رسد. در انرژی 192 میلی ژول تقریباً پس از 4 یا 5 ضربه پلاسمای سطح پشتی ظاهر می شود، در حالی که برای پرتو بر همکنش با انرژی mj 130 گاهی پس از 13 ضربه هنوز پلاسمای سطح پشتی مشاهده نمی شود. با بررسی داده های تجربی در انرژی های مختلف، هم سرعت موج بر اساس تابع توانی بر حسب دمای ذرات در جبهه ی موج و هم شعاع انتشار موج بر اساس تابع توانی بر حسب زمان برازش شده و پارامترهای مربوطه به دست آمده اند.

در این پژوهش، مطالعه رفتار پلاسمای حاصل از برخورد باریک? لیزر با هدف نازک از جنس پلیمر به ضخامت2/0 میلیمتر در فشارهای پایین جو مورد نظر بوده است. به منظور تشکیل پلاسمای سطح پشتی با انرژی های لیزر 110 و 160 میلی ژول بترتیب 6 و 2 ضربه لازم است تا هدف سوراخ شود. با تغییر فشار از یک تا 3-10 میلی بار در انرژی 110 میلی ژول سرعت انتشار ذرات با روش سایه نگاری در سطح رویی هدف از cm/s 106×4 تا cm/s 106×7 افزایش می یابد. در انرژی 160 میلی ژول با کاهش فشار از اتمسفر تا 100 میلی بار سرعت در سطح رویی هدف از cm/s106×6/1 تا cm/s106×1/3 و برای پلاسمای سطح پشت از cm/s105×2 تا cm/s105×5 افزایش می یابد. دمای تقریبی یون ها با استفاده از مدل موج ضربه و وابستگی سرعت به دما با تابع توانی، در فشار اتمسفر برای پلاسمای سطح رویی ازev2 تا ev5/0 و در پلاسمای پشت از ev 6/0 تا ev 2/0 با گذشت زمان کاهش می یابد. با توجه به اینکه در فشار های پایین اتمسفر، روش مشخصه یابی سایه نگاری از دقت کمتری برخورداراست و داده ها برای پلاسمای سطح پشتی از فشار 100 میلی بار به پایین چندان دقیق نبود، از پروب لانگمیر استفاده شد. یک سوزن از جنس استیل با بدنه عایق و سطح مقطع 35/0 میلیمتر به عنوان تک پروب لانگمیر در فاصله 2 میلیمتری در پشت هدف نازک قرار داده شد. به کمک سیگنال بدست آمده از جریان الکترونی و منحنی مشخصه جریان - ولتاژ پروب، دمای الکترون در فاصله 2 میلیمتری از مرکز پلاسما در حدود 3 الکترون ولت بدست آمد. با تغییر فشار از 100 تا 3-10 میلی بار سرعت یون در گستر? cm/s 104×1 تا cm/s 104 ×8 بدست آمده است. نتایج پروب توافق خوبی با داده های سایه نگاری دارد. کاهش یک مرتبه در بزرگی سرعت ذرات با روش زمان پرواز، از آنجا ناشی می شود که پروب یک مشخصه الکتریکی کندی است و هم در فواصل میلیمتری ازهدف قرار گرفته تا نسبت به سایه نگاری که در ابعاد میکرومتری پلاسما را رصد می کند. سرعت الکترون ها با استفاده از زمان پرواز، در فشارهای مختلف بطور میانگین cm/s 105×1محاسبه گردید و نیز چگالی یون در هدف پلیمری از مرتبه cm-31012 برآورد شده است. این مرتبه از چگالی نشاندهنده این است که در این انرژی لیزر با هدف پلیمری پلاسمای بسیار کم چگالی حاصل می شود.

در این پژوهش، دمای الکترون و چگالی پلاسمای تولید شده در میدان لیزر نانو ثانیه به کمک تک پروب لانگمیر اندازه گیری شده است. برای تشکیل پلاسما از برهمکنش پرتو لیزر nd:yag سوئیچ q با طول موج nm 1064 و پهنای زمانی ns30 و هدف جامد فلزی استفاده شده است. از چندین سوزن استیل با قطر75/0و 35/0 میلی متر در یک پوشش عایق برای ساخت پروب لانگمیر استفاده شده است. به کمک سیگنال بدست آمده از جریان الکترونی- یونی و رسم منحنی مشخصه جریان - ولتاژ پروب، دمای الکترون در فاصله های میلیمتری تا سانتیمتری پروب تا هدف، در گستره ev29 - 2 و میانگین چگالی یون در جریان اشباع یونی از مرتبه 3-cm 1013 برآورد شده است. همچنین جدا از روش مشخصه جریان – ولتاژ بدست آمده از پروب لانگمیر، با استفاده از زمان رسیدن بیشترین ذرات باردار ( بیشینه سیگنال جریان) از لحظه تشکیل پلاسما می توان سرعت ذرات را در فاصله مشخصی از محل تشکیل پلاسما یا سطح هدف بدست آورد. اندازه گیری زمان های ثبت شده از پرواز الکترون ها و یون ها(tof)، سرعت آنها را از مرتبه cm/s 108 برای الکترون ها و cm/s 106 برای یون ها برآورد می کند. با تحلیل دقیق تر سیگنال های بدست آمده در تفکیک زمانی بالاتر، در شرایط خاصی برای فاصله نسبت به هدف (cm3) و فشار گاز محیط ( mbar5-10) می توان به دو رژیم سریع و آرام برای الکترون ها و یون ها دست یافت که مرتبه سرعت آنها نیز مشابهت های خوبی با گزارش های داده شده در این زمینه دارد.

رفتار الکتروستاتیکی امواج خطی در یک محیط پلاسمایی کوانتومی سرد و یکنواخت با استفاده از نوعی معادلات پلاسمای کوانتومی و در حضور میدان مغناطیسی به دست آورده می شود. نشان داده خواهد شد که موج لانگمیر به واسطه اثرات کوانتومی از خود پاشندگی سوتکش مانند بروز می دهد، بنابراین موج لانگمیر می تواند در یک پلاسمای سرد پخش شود. هم چنین درمی یابیم که اثرات کوانتومی تأثیری در پاشندگی موج های راستگرد، چپگرد و معمولی ندارد.

در این پایان نامه، به اثر ناشی از چرخش بار فضایی با توزیع کاپچینسکی-ولادیمیرسکی در چهارقطبی مورد بررسی قرار می¬گیرد. تابع توزیع kv را به علت دارا بودن شرایط مناسب، برای دسته پرتو بیضوی عبوری از چهارقطبی انتخاب می¬شود. چگالی ذرات توزیع یافته در بیضی دوران داده شده دارای یک جمله جفت شده می¬باشد. از معادله پواسون، پتانسیل داخلی پرتو را برای یک توزیع ذرات بصورت ضرایبی از محورهای x,y و ضریبی در جمله جفت شده درنظر می¬گیریم. حال برای بدست آوردن این ضرایب نیاز به حذف جمله جفت شده داریم. با استفاده از تبدیلات محورهای مختصات این جمله حذف خواهد شد و ضرایب محورهای x,y تغییر خواهد کرد. در ضرایب بدست آمده، ضریب جمله جفت شده نقش مهمی را در چهارقطبی داراست زیرا که سیستم را می¬تواند به سیستم واگرا تبدیل نماید. توسط معادله پواسون و تعریف ضرایب، پتانسیل درون پرتو را برای یک توزیع یکنواخت ذرات در فضای آزاد بار q بدست می¬آید. فرکانس پلاسمایی دسته پرتو بیضوی را با حضور بارفضایی محاسبه می¬نماییم. بوسیله برنامه mathematica معادلات میدان و پتانسیل موثر بررسی شده و نتایج مورد بحث قرار می¬گیرد. تابع ? چهارقطبی جفت شده را با استفاده از برنامه متلب مورد بررسی قرارداده شده است.

لیزرها دارای کاواک هستند. و کاواک ها به دو نوع پایدار و ناپایدار دسته بندی می شوند. مزیت کاواک های ناپایدار حجم مد بزرگتر و قابلیت تمییز پذیری در مدهای مرتبه بالاتر است. در لیزرها به خصوص لیزرهای گازی برای بالا بردن کیفیت پرتو خروجی راههای مختلفی وجئد دارد از جمله قرار دادن یک دریچه ی محدودکننده درون کاواک که در این پایان نامه بدان اشاره شده است.