книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

ность лазерного импульса. Для миллисекундного лазерногоимпульса типичные величины /'’крпх лежат в пределах 106— 107 Вт/см2. При очень низкой мощности лазерного излучения наибольшее количество массы выносится у тех материалов, кото­ рые обладают самой низкой теплопроводностью.

Существующие лазеры дают возможность легко получать в миллисекундном импульсе выходную энергию порядка 10 Дж. Типичная величина площади фокального пятна при использова­ нии короткофокусных линз составляет 10_3 см2. Для плотности энергии 104 Дж/см2 типичные глубины разрушения лежат в пре­ делах от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Для сфокусированного импульсного излучения с энергией в несколько джоулей типичные величины выброшенной массы составляют около 1 мг. При увеличении полной энергии в миллисекундном лазерном импульсе до сотен джоулей диаметр кратера растет быстрее, чем его глубина, так что глубины могут измеряться еще миллиметрами, но выброшенная из мишени масса уже достигает десятков и сотен миллиграммов [28, 29].

Рассмотрим теперь способы вычисления количества вещества, удаляемого с облучаемой поверхности. Обычно используемоеприближение основано на тех же предположениях, которыеиспользовались ранее при расчете увеличения температуры облу­ чаемой лазером массивной пластины. Для простоты пренебрежем наличием жидкой фазы. Это предположение можно оправдать, если заметить, что для типичных металлов скрытая теплота плав­ ления намного меньше как скрытой теплоты испарения, так и количества тепла, требуемого для нагревания .металла до точки кипения. Однако во многих случаях экспериментальные резуль­ таты свидетельствуют о том, что больше металла выбрасывается в жидком состоянии, чем в виде пара. Это может происходить при формировании материала кратера, когда испаренное веществосоздает давление внутри его. Под действием этого давления рас­ плавленный материал может вымываться со стенок кратера. Это

что лазерный импульс имеет гладкую огибающую, п пренебрежем наличием пичков. Ни в одной из предложенных до сих пор моделей не рассматривают сложную осциллирующую структуру импульса.

Сначала мы проведем анализ, основанный на одномерном потоке тепла; поверхность испаряется непрерывно при постоянном под­ воде тепла; отток испаренного вещества от поверхности также происходит непрерывно [33]. Это рассмотрение позволяет быстрополучить простые оценки глубины испарения при заданных условиях.

4) Анализ этого процесса дан в работах [70, 71, 93].— Прим. ред.

фиг. 3.18. Они относятся к тем же самым металлам, эксперимен­

фиг. 3.18, б. Столь высокие экспериментальные величины указы­ вают на то, что происходит выброс расплавленного вещества. Если значительная доля металла вырывается из кратера, не ис­ парившись полностью, то измеряемая глубина существенно уве­ личивается.

В наших расчетах не учитывалось также отражение света, кроме того, не принимались во внимание осциллирующая струк­

ввиду значительных усложнений, возникающих при рассмотрении ппчковой структуры и таких деталей, как механизм выброса расплавленного материала. Более того, если принять во внимание поправки, изложенная теория в состояний описать в общем виде наблюдаемые явления. Поскольку в экспериментальных данных имеется большой разброс, зависящий от условий опыта, более целесообразно изучать каждый конкретный случай эксперимен­ тально х).

J)С такой точкой зрения трудно согласиться. Описанный в тексте подход

канализу процесса испарения металлов под действием лазерного излуче­ ния является чрезвычайно упрощенным. Прежде всего, как видно из тек-

До сих пор мы полагали температуру испарения равной обыч­ ной температуре кипения материала. В работе [28] предложена модель, в которой температура па движущейся границе, разделяю­ щей пар и твердое тело, была выше обычной температуры испаре­ ния *). Для определения характеристик стационарного режима предполагается существование предельной скорости ист перемеще­ ния границы фаз. Считается, что температура поверхности Т' больше нормальной температуры кипения вещества. Закон сохра­

где F — (постоянная) плотность потока лазерного излучения, поглощаемая на поверхности; остальные обозначения определены выше. Используется известное из статистической механики соот­ ношение

где n — плотность атомов на поверхности, v0 — дебаевская часто­ та («НО13 с-1), М — атомный вес, N 0 — число Авогадро и к — постоянная Больцмана. Это равенство, по существу, определяет скорость, с которой атомы покидают поверхность, уходя из потен­ циальной ямы, в которой они находились. Скорость ист испарения поверхности можно выразить через dn/dt. Объединив эти два равенства, получим соотношение между Т и F:

Здесь ha — величина, приблизительно равная толщине атомного слоя в веществе. На фиг. 3.20 представлены результаты решения уравнения (3.44) относительно Т' как функции F для нескольких металлов.

На левой стороне фиг. 3.20, т. е. при малых плотностях потока («НО8 Вт/см2), температура испаряющейся поверхности прибли­ зительно равна температуре кипения при нормальном давлении; при больших плотностях нотока (ЗНО8 Вт/см2) эта модель пред­ сказывает значительное превышение температуры поверхности над нормальной температурой кипения. Уравнение (3.43) в неяв­ ном виде определяет зависимость скорости движения фазовой границы от плотности потока. Некоторые результаты расчетов 1’стпоказаны на фиг. 3.21. При низких плотностях потока скорость не сильно отличается от той, которая соответствует нормальной

х) Это не совсем точно. В работе [28] (п более ранней работе [74]) вычислена температура испаряющейся поверхности как функция плотности потока излучения. При низких плотностях потока она может быть меньше темпе­ ратуры кипения при нормальном давлении.— Прим. ред.

щие сотни ватт, способны испарять металлы в непрерывном режиме. Для больших плотностей потока и не слишком больших времен оценку количества вещества, испаренного под действием сфокусированного излучения лазера непрерывного действия, мож­ но было бы получить, решая уравнение (3.40) для величины vCT.

Резюмируя изложенное, отметим, что в этом разделе мы рас­ смотрели испарение под действием миллисекундных лазерных импульсов с плотностью потока до 10°—107 Вт/см2. Испарение в этом режиме можно расшатривать как происходящее при нор­ мальной температуре кипения металла при постоянном отводе испаренного вещества от поверхности, движущейся в глубь металла. Характерные величины количества вещества, выброшен­ ного под действием импульса сфокусированного лазерного излу­ чения миллисекундной длительности с энергией 10 Дж, составляют от одного до нескольких миллиграммов. Кратер имеет глубину от одного до нескольких миллиметров. При увеличении плотности потока до величин порядка 10°—1010 Вт/см2, характерных для импульсов лазера с модулированной добротностью, возникают уже существенно новые явления.

2. Испарение импульсами лазера с модулированной добротностью

При помощи лазеров с модулированной добротностью' легко получить на поверхности мишени плотности потока, пре­ вышающие 109 Вт/см2. В этом режиме необходимо учитывать явления, отличные от тех, которые были характерны для плот­ ностей потока порядка 10е—107 Вт/см2. Многие авторы подходили к этой проблеме с разных точек зрения [3, 28, 35—39]. В качестве важного отличия по сравнению со случаем испарения милли­ секундным лазерным импульсом следует отметить влияние испа­ ренного вещества или вещества, выброшенного с поверхности под действием лазерного нагрева. В присутствии этого вещества взаимодействие с поверхностью существенно изменяется. Испарен­ ное вещество оказывает большое давление на поверхность, что приводит к изменению условий испарения. Кроме того, оно может поглощать свет и экранировать поверхность от лазерного излуче­ ния. Наконец, поскольку вещество сильно нагревается, оно может передавать поверхности значительный импульс отдачи. Различные предложенные модели дают предсказания, находящиеся в каче­ ственном согласии с экспериментом; однако пока еще не сущест­ вует полного описания всей совокупности происходящих явлений.

В предыдущем разделе предполагалось просто, что испаренный материал выносится без дальнейшего взаимодействия. В данном разделе особое внимание будет уделено материалу мишени и тому,