книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения
.pdf
EFFECTS
OF HIGH-POWER LASER
RADIATION
by
JOHN F. READY
Senior Principal Research Scientist
Honeywell Corporate Research Center
Hopkins, Minnesota
A c a d e m i c P r e s s
New York — London 1 9 7 1
ДЕЙСТВИЕ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Перевод с английского В. А. БАТАНОВА и И. К. КРАСЮКА
Под редакцией д-ра фнз.-мат. наук, проф.
С. II. АНИСИМОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО « М И Р »
МОСКВА * 1 9 7 4
ь э ч s~(,
7-4- г1ъуг> f
Кыпга посвящена систематическому изложению основных результатов исследовании в области взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Особое внимание уделяется области умеренных интенсивностей излучения, кото рая представляет интерес для лазерной технологии. Рассмот рены задачи плавленпя и испарения поглощающих твердых тел, электронной н ионной эмиссии, оптического пробоя газов н диэлектриков, действия лазерного излучения на биологиче ские объекты. Отдельная глава посвящена промышленному применению лазеров.
Книга охватывает весьма обширную область физических
итехнических проблем, связанных с применением лазеров. Она представляет большой интерес для самого широкого круга физиков и инженеров, работающих в области лазерной физики
итехники.
Редакция литературы по физике
|
20405—056 |
Перевод на русский язык, «Мир», 1974 |
|
Р |
041(01)—74 56-74 |
||
|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕД АК ТО Р А РУССКОГО ИЗДАНИЯ
Первые сообщения о действии лазерного луна на веще ство появились немногим более десяти лет назад — практически одновременно с созданием первых мощных лазеров. Речь шла о простейших экспериментах, в которых наблюдались плавление и испарение твердых тел и электронная эмиссия с их поверхности под действием лазерных импульсов. Однако уже эти простейшие опыты показали, что существуют широкие и разнообразные воз можности применения мощных лазеров для решения ряда важных научных и технических задач. Проблема взаимодействия лазерного излучения большой мощности с веществом приобрела особую актуальность. Успехи в этой области и значительные достижения
вразработке новых высокоэффективных лазерных систем привели
квозникновению нового направления в технике — лазерной тех нологии.
Научная литература, связанная с проблемой действия лазер ного излучения, чрезвычайно обширна и насчитывает в настоящее время несколько тысяч журнальных статей. Это обстоятельство наряду с очень быстрым развитием исследований и ростом числа исследователей ставит, естественно, вопрос о достаточно полном обзоре, в котором систематически и- с единой точки зрения излага лась бы физика процессов взаимодействия мощного лазерного излу чения с веществом. Ранее опубликованные обзорные статьи [1—6]
имонографии [7—9] не решают этого вопроса главным образом потому, что каждая из них посвящена вполне определенным частным задачами рассчитана на специалистов, работающих в дан
ной узкой области. Если же иметь в виду достаточно широкий и постоянно растущий круг исследователей, занимающихся прак тическим применением лазеров, то, по-видимому, наиболее удач ным обзором если не проблемы в целом, то, во всяком случае, важ нейших ее аспектов является предлагаемая вниманию читателя книга американского физика Дж. Рэди «Действие мощного лазер ного излучения». Автор книги — один из ведущих специалистов Ханивеллского исследовательского центра. Ему принадлежат важ ные работы по действию лазерного излучения на поглощающие вещества, в частности по электронной и ионной эмиссии с поверх ности металлов. Эти работы Дж. Рэди относятся к числу первых
П Р Е Д И С Л О В И Е |
Р Е Д А К Т О Р А РУССКОГО И З Д А Н И Я |
6 |
исследований |
в области взаимодействия лазерного |
излучения |
с веществом.
Основные достоинства книги заключаются в широте рассмот ренного в ней круга вопросов и в относительной простоте изло жения, которая делает книгу доступной широкому кругу чита телей. Естественно, что собственные научные интересы автора отра зились на отборе материала и характере изложеиия. В результате наиболее полными и содержательными оказались разделы книги, связанные с собственными исследованиями автора. В то же время ряд других интересных вопросов изложен меиее подробно. К этим последним относится теория элементарных процессов поглощения
ирассеяния лазерного излучения, задачи самофокусировки и де фокусировки луча, а также вопросы применения лазеров для полу чения и нагревания плазмы. Такое несколько неравномерное распределение внимания вполне понятно и даже неизбежно в кни ге, охватывающей весьма широкий круг физических и технических задач в столь стремительно развивающейся области.
Одной из наиболее важных проблем, которой в последние годы уделяется большое внимание, является проблема лазерной плазмы
илазерного термоядерного синтеза. Исследования в этой области ведутся в течение ряда лет после того, как было выдвинуто пред ложение [10] об использовании лазерного излучения для получе ния плотной высокотемпературной плазмы. Обзор большого числа экспериментальных и теоретических работ по лазерной плазме дай в статьях [11, 12]. Новым направлением, привлекающим большое внимание в последние два года, является идея термоядерного микровзрыва в сверхплотном веществе, предложенная в работах [13, 14]. С точки зрения термоядерного синтеза преимущество в этом слу чае связано с тем, что, как показывает простая оценка [15, 18], энер гия, которую нужно вложить в реагирующее вещество для получе ния заданного значения пх (т. е. заданного отношения энергии, выде лившейся в результате термоядерной реакции, к тепловой энергии вещества), обратно пропорциональна квадрату плотности вещества.
Возможность использования мощного лазерного излучения для сжатия вещества до сверхвысоких плотностей можно понять из следующего рассуждения. При действии лазерного излучения на мишень с начальной плотностью порядка плотности твердого тела передача энергии от поглощающего слоя к внутренним более плотным слоям происходит посредством электронной теплопровод
ности. Вследствие сильной температурной зависимости коэффи циента электронной теплопроводности распространение тепла в глубь мишени носит характер тепловой волны. Особый интерес представляет случай дозвукового распространения тепловой вол ны. Фронт такой волны излучает звуковые возмущения, которые, взаимодействуя между собой, вызывают обычно образование удар ной волны. Идея состоит в подборе такого режима подвода энергии
П Р Е Д И С Л О В И Е Р Е Д А К Т О Р А РУССКОГО И З Д А Н И Я |
7 |
и такого режима распространения тепловой волны, чтобы сильная ударная волна не образовывалась и сжатие было по возможности близким к адиабатическому.
Оценки, основанные на чрезвычайно упрощенных моделях, позволяют определить требуемую форму лазерного импульса [15—17]. Например, для сферически симметричного сжатия среды с показателем адиабаты 5/3 интенсивность лазерного излучения должна нарастать со временем по закону (1 — tlt0)~2, где t0 — начальный размер сжимаемой капли, деленный на начальную ско рость звука. Численные расчеты [13, 14, 17] подтверждают, что при специальной форме лазерного импульса типа приведенной выше действительно удается достичь весьма высоких степеней сжа тия. Из этих расчетов следует, что для осуществления термоядер ной реакции с положительным энергетическим выходом достаточ ны энергии порядка 105 Дж, т. е. по крайней мере на три порядка меньше, чем в обычном режиме с инерционным удержанием.
Чрезвычайно важной проблемой, возникающей при лазерном методе нагревания плазмы, является проблема поглощения света весьма высокой интенсивности. Известно, что в этом случае меха низм классического столкновительного поглощения становится неэффективным и основную роль начинают играть коллективные механизмы поглощения. Последние подробно исследовались теоре тически и экспериментально. Обзор основных результатов можно найти в статье [18]. Отметим также работы [19, 20], в которых полу чено экспериментальное подтверждение аномального поглощения лазерного излучения в плазме.
Значительные успехи достигнуты за последние годы и в других областях взаимодействия лазерного излучения с веществом. Под робно исследованы испарение конденсированных тел, экранировка поверхности продуктами испарения, пробой газов и диэлектриков, самофокусировка излучения, многофотонные процессы. Соответ ствующие дополнения и ссылки на работы последних лет даны в примечаниях, сделанных переводчикам и редактором перевода.
Можно надеяться, что книга Дж. Рэди окажется полезной для широкого круга читателей, чьи научные интересы лежат в области применения лазеров и взаимодействия лазерного излучения с веще ством. Особый интерес она представляет для специалистов в обла сти лазерной технологии; однако и те исследователи, кого интере сует в первую очередь физика процессов взаимодействия, найдут
вэтой книге много полезного.
Взаключение хотелось бы с благодарностью отметить помощь, оказанную автором при подготовке русского издания книги. По мимо ряда исправлений, Дж. Рэди любезно предоставил нам новые материалы по вопросам безопасности при работе с лазерами, кото рые включены в гл. 7 настоящего издания.
С. Анисимов
П Р Е Д И С Л О В И Е Р Е Д А К Т О Р А РУССКОГО И З Д А Н И Я |
8 |
ЛИТЕРАТУРА
1.Райзер 10. П., УФН, 87, 29 (1965).
2.С. De Michelis, IEEE Journ. Quant. Electr., QE-5, 188 (1969).
3.Рыкалип H. I I ., Углов A. A ., Thermophys. Proc. o£ Heating ol Metals by
Laser Radiation, USSR Natl. Welding Commitee, M., 1972.
4.Басов H. Г., Крохин О. H., Склизков Г. В., Труды ФИАН, 52, 171 (1970).
5. Consoli Т., High Temp.-High. Press., 2, 259 (1970).
6.Райзер 10. П., УФН, 108, 429 (1972).
7.Анисимов С. И., Нмас Я. А ., Романов Г. С., Ходыко 10. В., Действие
излучения большой мощности на металлы, «Наука», М., 1970.
8. Demtroder ИЛ, Laser Spectroscopy, Springer Verlag, 1969.
9.Thomas J. J., Electrochemical, Electroerrosion and Laser Machining, Ox ford Univ. Press., Oxford, 1970.
10.Басов II. Г., Крохин О. II., ЖЭТФ, 46, 171 (1964).
11.Mulser Р., Sigel R., Witkowski S., Phys. Reports, 6c 187 (1973).
12.Нога H., Laser, 4, 3 (1972).
13.Nuckolls J., Wood L ., Thiessen A ., Zimmerman G., Nature, 239, 139 (1972).
14.Nuckolls /., Wood L., Thiessen A., Zimmerman G., Preprint UCRL-74116,
Livermore, October, 26, 1972.
15.Kidder R., Preprint UCRL-74040, Livermore, July, 18, 1972.
16.Анисимов С. И., Письма в ЖЭТФ, 16, 570 (1972).
17.Clarke J. S., Fischer H. N., Mason R. J., Phys. Rev. Lett., 30, 89 (1973).
18. Кадомцев Б. Б ., Ковальский II. Г., Настоящий А. Ф., Вводная статья
в сб. «Лазеры п термоядерная проблема», Атомиздат, 1973.
19.Fabre Е., Stenz С., Maignan J., VI th European Conf. on Controlled Fusion and Plasma Phys., Moscow, 1973.
20.Saleres A ., Cognard D., Redon D., Floux F., Bobin J. L., Congres Centenaire
Societe Francaise Physique, Vittel, 1973.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Лазеры представляют собой новый тип мощных источ ников света, с помощью которых можно получать интересные и полезные эффекты. В наши дни становится все более привычным явлением сноп искр, летящих с поверхности металла, на которую сфокусирован луч лазера. Исследования эффектов, производимых лучом лазера, существенно расширились за последние несколько лет, и в настоящее время они составляют важную часть всех лазерных исследований. Предлагаемая вниманию читателя книга имеет целью собрать и обобщить информацию о действии лазерно го излучения. Подобного обзора в этой новой области до сих пор не имелось х).
Под действием лазерного излучения мы будем в этой книге понимать взаимодействие между мощным лучом лазера и веществом. Оно включает такие процессы, как нагревание, плавление, испа рение и получение плазмы. Кроме того, для замкнутости изложе ния в книгу включены достаточно подробные сведения о свойствах лазеров, измерительной технике и технике безопасности при рабо те с лазерам. Мы намеренно не останавливаемся на таких вопро сах, как нелинейная оптика, параметрическое взаимодействие- и процессы рассеяния (например, вынужденное комбинационноерассеяние). Эти явления также сопровождают процессы взаимодей ствия мощного лазерного излучения с веществом, поэтому иногда их связывают с проблемой действия лазерного излучения. Однако они не подпадают под определение действия лазерного излучения в том смысле, в каком этот термин используется в настоящей книге.
Мы попытались сделать книгу полезной как для ученых, инте ресующихся физикой взаимодействия лазерного излучения с веще ством, так и для инженеров, занимающихся практическим исполь зованием лазерного излучения. Несколько глав посвящено обзору и интерпретации экспериментальных данных, полученных много численным исследователями. Мы приводим также информацию, касающуюся применения лазеров. Этому, в частности, посвящена
х) Из обзоров, посвященных более узкому кругу вопросов, связанных с проблемой взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, можно отметить работы [73—77].— Прим. ред.
П Р Е Д И С Л О В И Е АВТОРА |
10 |
гл. 8. Описание применения лазеров для обработки материалов следует рассматривать как введение для тех, кто хочет заниматься практическим использованием лазерного излучения.
В книге основное внимание уделяется физическим механизмам, действующим в каждом частном случае. Это важно для обеих групп читателей.
Книга рассчитана на читателей с высшим образованием или студентов старших курсов. Предполагается знание математиче ского анализа, преобразований Лапласа и специальных функций. Это необходимо не для того, чтобы сделать изложение строго мате матическим, а для того, чтобы дать краткое описание основных расчетов, с целью внести ясность в изучаемые физические явле ния. В предварительном детальном знакомстве с лазерами нет необходимости. Свойства лазеров, имеющие отношение к действию излучения большой мощности, описаны в специальной главе.
Дж. Рзди