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 Different Media Using Shadowgraphy 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 well suited to laboratory studies and technological applications. In this work, key plasma parameters—including expansion velocity, temperature, and density—were experimentally measured using the shadowgraphy technique. Experiments were carried out with an Nd:YAG laser at pulse energies of 140 and 200 mJ in two different environments: air and water. Plasma was generated using the fundamental wavelength of 1064 nm, while the second harmonic at 532 nm was employed for shadowgraphy imaging. Time-resolved images recorded at delays of 1–10 μs enabled detailed analysis of the propagation of the plasma front. The results show that the average plasma expansion velocity is 3.54 km/s in air and 2.74 km/s in water, while the plasma temperature is 3435 K in air and 2008 K in water. The estimated plasma densities in air for pulse energies of 140 and 200 mJ are 5.04 and 5.35 kg/m³, respectively, and 4.91 and 4.95 kg/m³ in water. Analysis of the temporal evolution of these parameters reveals a gradual decrease in temperature, velocity, and density after plasma formation. These findings confirm that shadowgraphy is an effective tool for accurate diagnostics of laser-induced plasma and for comparative studies in different media. Furthermore, the high sensitivity and dynamic behavior of such plasmas provide promising opportunities for applications in optical cryptography and sensitive environmental monitoring, where spatial and temporal plasma patterns can serve as data-encoding channels or environmental indicators, with small changes in the surrounding medium directly affecting plasma parameters. This research can contribute to the design of next-generation laser systems and advanced technological applications for information transfer and environmental surveillance.

کلیدواژه‌ها English

Plasma propagation
Plasma temperature
Plasma density
Shadowgraphy technique
Nd:YAG laser
Sensitive environmental monitoring
[1]        Murphy AB. Computational modelling of thermal plasmas for industry. Reviews of Modern Plasma Physics. 2024 Aug 9;8(1):26.
[2]        Su Y, Wang Z, Wang Y, Xue R, Wang B, Zhong W, Peng X, Nie S, Cai Z, Wan W. Multiple-image encryption based on authenticable phase and phase retrieval under structured light illumination. Optics Communications. 2024 Aug 1;564:130603.
[3]        Cheriani MT, Mirzaei A. Plasma-Treated Nanostructured Resistive Gas Sensors: A Review. 2025.
[4]        Lokini P, Dumitrache C, Windom BC, Yalin AP. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy and Shadowgraphy of Acoustically Levitated Heptane Droplets. In:Photonics; 2024 Nov 7 (Vol. 11, No. 11, p. 1044). MDPI.
[5]        M Jafari Seyed Haghighi. Study of Shock Waves Resulting from Induced Fracture by Shadowgraphy[ MSc thesis].Shahid Beheshti University; 2017 (1396).
[6]        Kwapis EH, Hewitt M, Hartig KC. Shock physics and shadowgraphic measurements of laser-produced cerium plasmas. Optics Express. 2023 Mar 9;31(6):10694-708.
[7]        L Esfahani. Shadowgraphy of Laser-Produced Plasma in a Nanosecond Laser Field[ MSc thesis]. Islamic Azad University, Science and Research Branch; 2015 (1394).
[8]        Settles GS. Schlieren and Shadowgraph Techniques. Berlin: Springer-Verlag; 2001.
[9]        Gautam G, Helstern CM, Drake KA, Parigger CG. Imaging of Laser-induced Plasma Expansion Dynamics in Ambient Air. 2016;7(June):45–51.
[10]      Villagran-Muniz M, Sobral H, Camps E. Shadowgraphy and interferometry using a CW laser and a CCD of a laser-induced plasma in atmospheric air. IEEE transactions on plasma science. 2001 Aug 31;29(4):613-6.
[11]      Fukuchi T, Nemoto K. High-speed shadowgraphy and interferometry using an acousto-optic laser deflector. In:Ultrafast X-Ray Detectors, High-Speed Imaging, and Applications; 2005 Sep 21 (Vol. 5920, pp. 132-141). SPIE.
[12]      Minardi S, Gopal A, Petridis C, Tatarakis M. Direct comparison of quantitative shadowgraphy with interferomery for plasma density measurements. In:2007 16th IEEE International Pulsed Power Conference; 2008 Jun 17 (Vol. 1, pp. 626-629). IEEE.
[13]      Hargather MJ, Settles GS. Retroreflective shadowgraph technique for large-scale flow visualization. Applied optics. 2009 Jul 27;48(22):4449-57.
[14]      Buday J, Pořízka P, Buchtová M, Kaiser J. Determination of initial expansion energy with shadowgraphy in laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2021 Aug 1;182:106254.
[15]      Campanella B, Legnaioli S, Pagnotta S, Poggialini F, Palleschi V. Shock waves in laser-induced plasmas. Atoms. 2019 Jun 7;7(2):57.
[16]      Herianto S, Hou CY, Lin CM, Chen HL. Nonthermal plasmaactivated water: A comprehensive review of this new tool for enhanced food safety and quality. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2021 Jan;20(1):583-626.
[17]      Zel’dovich YP, Raizer YP. Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena. Moscow: Academy of Sciences, U.S.S.R.; 1966.
[18]      Shrivastava R. Shock Wave‟ s Existance, Salient Features And Importance. International Journal of Mathematics Trends and Technology-IJMTT. 2019;65.

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