Πηγές Ήχου Πλάσματος Laser

Περιγραφή

Η δημιουργία ήχου μέσω δέσμης laser αποτελεί ένα εντυπωσιακό φαινόμενο με ραγδαία αυξανόμενο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Οι πηγές ήχου πλάσματος laser (LPSS) προσφέρουν μοναδικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές ηλεκτρομηχανικές ή πιεζοηλεκτρικές πηγές: είναι χωρίς μάζα, σημειακές ή γραμμικές, παράγουν ευρυζωνικούς παλμούς (από υπόηχους έως υπερήχους) και μπορούν να τοποθετηθούν σε οποιοδήποτε σημείο χωρίς φυσική παρεμβολή.

Η έρευνά μας εστιάζει στην κατανόηση και τον έλεγχο αυτών των πηγών μέσω μιας ολοκληρωμένης πειραματικής και θεωρητικής προσέγγισης:

Συστηματική Πειραματική Μελέτη:

• Διεξάγουμε εκτεταμένες μετρήσεις της ακουστικής εκπομπής LPSS που παράγονται από παλμούς ns (532 nm, 1064 nm) και fs (800 nm) υπό διάφορες συνθήκες ενέργειας και εστίασης.
• Καταγράφουμε την ηχητική πίεση στο μακρινό πεδίο και αναλύουμε την εξάρτηση της συνολικής ακουστικής ενέργειας, της μέγιστης πίεσης και του φάσματος συχνοτήτων από τα χαρακτηριστικά του laser.
• Βασικά Ευρήματα: Η αύξηση της ενέργειας του παλμού ns οδηγεί σε αύξηση της ακουστικής ενέργειας και μετατόπιση του φάσματος προς χαμηλότερες συχνότητες. Για παλμούς fs, η ακουστική ενέργεια εκτείνεται πολύ πέρα από το ακουστικό φάσμα, ενώ η κατευθυντικότητα εξαρτάται κρίσιμα από τη γεωμετρία του πλάσματος (νηματοειδείς πηγές).

Συσχέτιση Φωτός και Ήχου:

• Αναπτύσσουμε μια καινοτόμο μεθοδολογία για την ταυτόχρονη καταγραφή των σημάτων φωτός και ήχου.
• Μέσω ανάλυσης σήματος, απομονώνουμε τη συνιστώσα της θερμικής ακτινοβολίας από το οπτικό σήμα. Η θερμική ακτινοβολία αντιστοιχεί στην εξέλιξη της θερμότητας στον όγκο αλληλεπίδρασης, η οποία είναι η άμεση αιτία της θερμοελαστικής διαστολής και της παραγωγής του ηχητικού κύματος.
• Θεωρητικό Μοντέλο: Χρησιμοποιούμε το θερμικό σήμα ως πηγή (όρο θερμότητας) στην κυματική εξίσωση για τον υπολογισμό του φάσματος του παραγόμενου ηχητικού παλμού. Τα αποτελέσματα του μοντέλου παρουσιάζουν εξαιρετική συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις, αποδεικνύοντας την άμεση συσχέτιση μεταξύ της φωτεινής και ηχητικής ακτινοβολίας.

Μοντελοποίηση Ακουστικής Κατευθυντικότητας Νηματοειδών Πηγών:

• Μελετάμε την ακουστική συμπεριφορά νηματοειδών πηγών (filaments) που δημιουργούνται από παλμούς fs με χαλαρή εστίαση.
• Αναπτύσσουμε ένα ακουστικό μοντέλο που προσομοιώνει το νήμα ως μια γραμμική πηγή πεπερασμένου μήκους, αποτελούμενη από στοιχειώδεις σημειακές πηγές N-παλμών. Η κατανομή πίεσης κατά μήκος του νήματος λαμβάνεται από τη φωτεινότητα του πλάσματος (οπτική καταγραφή).
• Το μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια την κατευθυντικότητα της πηγής, η οποία είναι μέγιστη κάθετα στον άξονα του νήματος και γίνεται εντονότερη σε υψηλότερες συχνότητες. Η εργασία αυτή παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για το σχεδιασμό κατευθυντικών ακουστικών πηγών με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά.

Δημοσιεύσεις

Kaleris, K., Orphanos, Y., Petrakis, S., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Mourjopoulos, J., Papadogiannis, N.A. (2024). Laser-plasma sound sources in atmospheric air: A systematic experimental study. Journal of Sound and Vibration, 570, 118000. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.118000

Delibašić Marković, H., Kaleris, K., Papadogiannis, N.A., Petrović, V. (2024). Comparative analytical and numerical investigation of the plasma density in atmospheric air generated by nanosecond laser pulses. Laser Physics Letters, 21(3), 033001. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ad1cd9

Kaleris, K., Tazes, I., Orphanos, Y., Petrakis, S., Bakarezos, M., Mourjopoulos, J., Dimitriou, V., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2021). Experimentally validated modeling of the optical energy deposition in highly ionized ambient air by strong femtosecond laser pulses. The European Physical Journal D, 75, 236. https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-021-00237-x

Kaleris, K., Orfanos, Y., Bakarezos, M., Dimitriou, V., Tatarakis, M., Mourjopoulos, J., Papadogiannis, N.A. (2020). On the correlation of light and sound radiation following laser-induced breakdown in air. Journal of Physics D: Applied Physics, 53(43), 435207. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab9ee6

Kaleris, K., Orfanos, Y., Bakarezos, M., Papadogiannis, N., Mourjopoulos, J. (2019). Experimental and analytical evaluation of the acoustic radiation of femtosecond laser plasma filament sound sources in air. JASA Express Letters, 146(3), EL212-EL218. https://doi.org/10.1121/1.5124509