2 / UMKD_Menushenkov_Lazernaya_tehnologiya_2008 / Konspekt_lekcij / lecture8

Схема экспериментальной установки для исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с конденсированными средами изображена на рис. 1.

Рис. 1

Излучение мощного лазера через систему пассивных фильтров,

отклоняющую и фокусирующую оптические энергетические системы и создает на поверхности образца необходимые плотности мощности и плотности энергии для проведения того или иного технологического процесса. Система пассивных фильтров служит для дискретного изменения плотности мощности на образце без изменения параметров лазерного импульса. С целью изменения формы импульса в установке предусмотрена возможность выбора типа резонатора: плоско-

параллельный, сферический, полусферический, а также возможность модуляции добротности резонатора с помощью активных фильтров.

Часть излучения отклоняется для осуществления мониторинга импульса с помощью измерителя энергии и фотодетектора. Блок синхронизации служит для запуска записывающего осциллографа и скоростного фоторегистратора, регистрирующего результат воздействия лазерного излучения на исследуемый образец.

Скоростной фоторегистратор (например ВФУ-1) может работать в двух режимах: в режиме щелевой развертки и в режиме лупы времени.

В первом случае в объективе регистратора устанавливается узкая щель,

изображение которой над поверхностью материала фиксируется на фоточувствительной пленке. Движение изображения щели по пленки с помощью быстро вращающегося зеркала позволяет фиксировать во времени процесс разлета частиц, пара и плазмы, возникающих на поверхности под действием лазерного излучения. На фоторегистрограмме появляются траектории движения частиц, пара и плазмы, причем тангенс наклона к оси времени дает значение скорости разлета.

В режиме лупы времени перед чувствительной пленкой вкладывается вставка из набора мини-линз, каждая из которых фиксирует изображение поверхности образца в определенный момент времени.

3. Кинетика разрушения.

Для реализации возможности одновременного наблюдения процесса разлета частиц и пара над поверхностью образца и динамики образования лунки и разрушения материала внутри образца используется метод полупрозрачной мишени. В этом случае к полированной поверхности металлического образца механически прижимается кварцевая (стеклянная) пластина, а лазерное излучение фокусируется на границу раздела так, что она делит лазерный луч пополам. Половин излучения проходит свободно через прозрачную мишень, в то время, как другая половина испаряет металл. При этом настроенный для наблюдения через прозрачную мишень фоторегистратор в режиме лупы времени позволяет наблюдать как процессы над поверхностью образца, так и под его поверхностью, т.е.

фиксировать динамику разрушения.

На рис. 2 приведены кинокадры, показывающие развитие лунки и формирование струи испаренного металла при воздействии импульса

лазера на стекле с неодимом с энергией 150 Дж и длительностью 2 мс на полупрозрачную мишень магнийкварц, снятые со скоростью 105

кадров в секунду.

Рис. 2.

На рисунке лазерное излучение направляется на мишень справа налево, весь процесс запечатлен на 100 кадрах, указаны номера кадров.

Как можно видеть из рисунка, после начала действия лазерного импульса вплоть до 5-го кадра (примерно в течение 0.1 мс) никаких изменений на поверхности и внутри образца не наблюдается. Затем появляется пар в широком телесном угле. Постепенно формируется лунка внутри образца и струя пара образует существенно более узкий телесный угол, определяемый конусностью стенок лунки (40-й кадр).

Увеличение глубины лунки сопровождается ростом интенсивности испарения и уменьшением телесного угла струи (50-й кадр). К концу действия импульса наблюдается завершение формирования лунки и процесса испарения. Следует отметить, что закономерности,

наблюдаемые при испарении магния имеют общий характер для большого числа исследованных металлов и сплавов.

На рисунках 3-6 приведены характерные фоторегистрограммы разлета частиц, пара и плазмы при воздействии импульса рубинового лазера на поверхность алюминия при атмосферном давлении. Можно наблюдать что скорость разлета частиц падает при удалении от поверхности за счет противодавления атмосферы. Однако присутствуют также и ускоряющиеся в процессе разлета частицы. Это возникает вследствие испарения частиц под действием лазерного излучения, приводящего к эффекту реактивного движения.

Рис. 5 Фоторегистрограмма разлета частиц.

При увеличении плотности мощности на поверхности до qпл 108-109

вт/см2 над поверхностью возникает эрозионный плазменный факел,

фронт движения которого также фиксируется на фоторегистограмме.

Можно наблюдать, что периодически происходит разрыв фронта вследствие гашения плазмы из-за эффекта сильной экранировки поверхности плазмой, активно поглощающей лазерное излучение.

Рис. 6 Фоторегистрограмма разлета плазмы.

На рис. 7 приведены результаты исследования динамики разрушения поверхности свинцовой мишени при воздействии импульсом рубинового лазера с энергией 20 Дж и длительностью импульса 1.2 мс. Съемка произведена на скоростном фоторегистраторе ВФУ-1 (максимальная скорость съемки – 2,5 106 кадров в секунду) при подсветке поверхности зондирующим лазером, работающим в режиме

упорядоченных пульсаций. Число пичков с импульсе зондирующего лазера составляет 12, что соответствует числу кадров скоростной фотосъемки. На первом кадре разрушений нет. 2-й и 3-й кадры демонстрируют появление расплава на поверхности (диаметр пятна фокусировки меньше диаметра мишени). На 4-ом кадре можно наблюдать начало испарения металла. Испарение и формирование лунки продолжаются вплоть до конца действия импульса (кадры №№ 5-11). На кадре № 12 можно наблюдать сформированную лунку.

Рис.7. Динамика разрушения свинцовой мишени.

В настоящее время для экспериментов активно используются также цифровые камеры скоростной видеосъемки типа VS-FAST со скоростью съемки до 50000 - 100000 кадров в секунду, в которых в качестве чувствительных элементов служат ПЗС (CCD) матрицы.

4. Методы измерения импульса давления на поверхности.

При воздействии мощного импульса лазерного излучения вследствие испарения материала и образования плазмы на поверхности металла возникает значительное давление, приводящее к большому импульсу отдачи и даже к распространению вглубь материала ударной волны при превышении порога плазмообразования.

Для измерения давления применяется наиболее распространенный пьезоакустический метод, основанный на использовании пьезочувствительных материалов, эффективно преобразующих механическое воздействие в электрический сигнал. В качестве датчиков при длительностях импульса в милисекундном диапазоне удобно использовать пьезокерамики, в микросекундном диапазоне – кварц, в

наносекундном диапазоне – тонкие полимерные пленки.

Принципиальная схема датчика приведена на рис. 8. Образец, на поверхность которого воздействует лазерный импульс размещается на пьезодатчике, соприкасающимся другой поверхностью со звукопроводом, окруженным звукопоглощающим материалом

(звукоизолятором).

Материал звукопровода должен подбираться из условий минимального коэффициента отражения упругой волны на границе пъезоэлемент-

звукопровод.

= ( 2s2 - 1s1/ 2s2 + 1s1)2 ,

где s2 , s1 – скорости звука, 2 , 1 – удельные плотности сред.

Отсутствию отражения соответствует условие равенства акустических сопротивлений 2s2 = 1s1 .

Электрический сигнал с такого датчика U(t) достаточно точно повторяет функцию давления отдачи P(t), возникающего на поверхности образца.

Из Рис.8 видно, что сигнал давления в целом повторяет форму лазерного импульса с небольшой модуляцией вследствие поглощения части лазерного излучения в парах испаренного вещества.

Ситуация резко меняется для плотности мощности, превышающей порог плазмообразования (см. Рис. 9)

Рис. 9 Зависимость сигнала, снимаемого с пьезодатчика от времени для плотности мощности лазерного излучения выше порога плазмообразования.

Отчетливо видно возникновение автоколебательного процесса в зависимости сигнала давления от времени, возникающего вследствие эффекта поглощения лазерного излучения плазмой.

5. Измерение оптических свойств.

Диффузный коэффициент отражения измеряется с помощью так называемой интегрирующей сферы, являющейся аналогом абсолютно-

черного тела. Образец помещается в центре сферы. Лазерное излучение фокусируется на поверхности образца через небольшое отверстие.

Диффузно отраженный сигнал регистрируется фотодетектором через другое отверстие. Для измерения коэффициента поглощения полупроводников, или других относительно слабо поглощающих

материалов возможно использовать комбинацию из двух интегрирующих сфер. В этом случае образец располагается между входным отверстием второй сферы и выходным отверстием первой сферы. Первая сфера служит для измерения диффузного коэфиициента отражения, а вторая – диффузного коэффициента пропускания. Знание изменения толщины образца в процессе лазерного воздействия позволяет определить изменение поглощающей способности и коэффициента поглощения при действии лазерного импульса.

6. Измерение температуры плазмы.

Идея измерения основана на законе Кирхгофа, т.к. спектр излучения лазерной плазмы близок к спектру излучения абсолютно черного тела.

С помощью двух монохроматоров измеряется интенсивность излучения плазмы на двух длинах волн. По отношению интенсивностей,

являющемуся функцией температуры и подчиняющемуся закону Кирхгофа находят значение температуры плазмы.