هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

تحلیل تجربی پلاسمای لیزری در محیط‌های مختلف با تکنیک سایه‌نگاری و کاربرد آن در پایش محیطی حساس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
پژوهشگر، دانشکده و پژوهشکده علوم پایه، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران.
چکیده
پلاسما به‌عنوان فاز چهارم ماده، دارای ویژگی‌هایی است که آن را برای مطالعات آزمایشگاهی و کاربردهای فناوری مناسب می‌سازد. در این پژوهش، پارامترهای کلیدی پلاسما شامل سرعت انتشار، دما و چگالی با استفاده از تکنیک سایه‌نگاری اندازه‌گیری شدند. آزمایش‌ها با لیزر Nd:YAG در دو انرژی ۱۴۰ و ۲۰۰ میلی‌ژول و در دو محیط متفاوت هوا و آب انجام گرفت. برای ایجاد پلاسما از طول موج ۱۰۶۴ نانومتر و برای تصویربرداری سایه‌نگاری از هارمونیک دوم با طول موج ۵۳۲ نانومتر استفاده شد. تصاویر ثبت‌شده در فواصل زمانی ۱ تا ۱۰ میکروثانیه امکان تحلیل گسترش جبهه موج پلاسما را فراهم کردند. نتایج نشان داد که سرعت انتشار پلاسما در هوا به‌طور میانگین ۳٫۵۴ کیلومتر بر ثانیه و در آب ۲٫۷۴ کیلومتر بر ثانیه است، دمای پلاسمای هوا ۳۴۳۵ درجه کلوین و در آب ۲۰۰۸ اندازه‌گیری شد و چگالی آن نیز در هوا برای انرژی‌های ۱۴۰ و ۲۰۰ میلی‌ژول به ترتیب ۵٫۰۴ و ۵٫۳۵ کیلوگرم بر مترمکعب و در آب ۴٫۹۱ و ۴٫۹۵ کیلوگرم بر مترمکعب برآورد شد. تحلیل تغییرات زمانی پارامترها افت تدریجی دما، سرعت و چگالی پس از تشکیل پلاسما را نشان داد. این مطالعه نشان می‌دهد که سایه‌نگاری ابزار مناسبی برای تحلیل دقیق پلاسمای لیزری در محیط‌های مختلف است و ویژگی‌های حساس و دینامیک آن امکان کاربرد در سامانه‌های رمزنگاری نوری و پایش محیطی حساس را فراهم می‌آورد. الگوهای فضایی و زمانی پلاسما می‌توانند به عنوان کانال رمزگذاری داده یا شاخص‌های محیطی عمل کنند، به طوری که تغییرات کوچک محیطی اثر مستقیمی بر پارامترها داشته باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental Analysis of Laser-Induced Plasma in Various Environments Using Shadowgraphy Technique and Its Application in Sensitive Environmental Monitoring

نویسندگان English

Mosayeb Moazami Goodarzi
Nader Amiri Rad
Davood Shahabi
Research Scientist, Faculty and Research Institute of Basic Sciences, Imam Hossein University, Tehran, Iran.
چکیده English

Plasma, recognized as the fourth state of matter, exhibits unique properties that make it highly suitable for laboratory investigations and technological applications. In this study, key plasma parameters, including expansion velocity, temperature, and density, were experimentally measured using shadowgraphy. The experiments were conducted with a Nd:YAG laser at pulse energies of 140 and 200 mJ in two different environments: air and water. Plasma formation was induced with a fundamental wavelength of 1064 nm, while shadowgraphy employed the second harmonic at 532 nm. Temporal imaging over 1–10 μs intervals allowed detailed analysis of plasma front propagation. The results indicate an average plasma expansion velocity of 3.54 km/s in air and 2.74 km/s in water. The plasma temperature was measured at 3435 K in air and 2008 K in water, while the density values for 140 and 200 mJ pulses were 5.04 and 5.35 kg/m³ in air, and 4.91 and 4.95 kg/m³ in water, respectively. Temporal evolution of these parameters revealed a gradual decrease in temperature, velocity, and density after plasma formation. This study demonstrates that shadowgraphy provides an effective tool for precise plasma diagnostics and comparative analysis across different environments. Moreover, the high sensitivity and dynamic characteristics of laser-induced plasma offer potential applications in optical cryptography and sensitive environmental monitoring, where spatial and temporal plasma patterns can function as secure data channels or environmental indicators, responsive to subtle changes in the surrounding medium. These findings may contribute to the development of advanced laser-based systems for information encoding and environmental surveillance.

کلیدواژه‌ها English

Plasma propagation
Plasma temperature
Plasma density
Shadowgraphy technique
Nd:YAG laser
Sensitive environmental monitoring

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 07 دی 1404

  • تاریخ دریافت 16 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 05 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 06 دی 1404