- •Часть II
- •1. Лазерный нагрев материалов 6
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов 83
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред 121
- •Введение
- •1. Лазерный нагрев материалов
- •1.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением
- •1.1.1. Тепловые эффекты в конденсированных средах
- •1.1.2. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии
- •1.1.3. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия
- •1.2. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
- •1.2.1. Термомеханические эффекты
- •1.2.2. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)
- •1.2.3. Эмиссионные процессы
- •1.2.4. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа
- •1.2.5. Диффузионно-химические явления
- •1.2.6. Лазерное плавление поверхности
- •1.2.6.1. Вакансионная модель плавления.
- •1.3. Линейные режимы лазерного нагрева.
- •1.3.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником.
- •1.3.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности
- •1.3.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем
- •1.3.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения.
- •1.3.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле.
- •1.3.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
- •1.4. Нелинейные режимы лазерного нагрева.
- •1.4.1. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности.
- •1.4.2. Нагрев окисляющихся металлов лазерным излучением. Термохимическая неустойчивость
- •1.4.3. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов
- •2.5. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения
- •2.1. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов.
- •2.1.1. Разрушение упругими напряжениями.
- •2.1.2. Разрушение остаточными напряжениями.
- •2.2. Химические механизмы разрушения
- •2.3. Высокотемпературные механизмы с участием испарения
- •2.4. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
- •2.5. Лазерное испарение.
- •2.5.1. Кинетика испарения плоской поверхности.
- •2.5.1.1. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
- •2.5.1.2. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
- •2.5.2. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
- •2.5.3. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением.
- •2.5.3.1. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров.
- •2.5.3.2. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.
- •2.5.4. Вытеснение расплава избыточным давлением паров
- •2.6. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
- •3.1. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков
- •3.1.1. Оптический пробой газов
- •3.1.1.1. Многофотонная ионизация
- •3.1.1.2. Лавинная ударная ионизация
- •3.1.2. Оптический пробой идеально чистых твердых тел
- •3.1.2.1. Туннельное поглощение; переход Мотта диэлектрик-металл.
- •3.1.3. Роль вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна
- •3.2. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред
- •3.2.1. Роль микронеоднородностей в зарождении поглощения и пробое
- •3.2.1.1. Оптические свойства реальных оптических материалов и покрытий
- •3.2.1.2. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред
- •3.2.2. Механизмы инициирования объемного поглощения в первоначально прозрачной среде
- •3.2.3. Тепловая неустойчивость
- •3.2.4. Статистическая концепция оптического пробоя
- •3.2.5. Размерная зависимость порогов пробоя
- •Контрольные вопросы Список рекомендуемой литературы История кафедры
- •Галина Дмитриевна Шандыбина Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика).
1.3.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле.
Представляет интерес рассмотреть нагревание поверхности полупространства, освещаемой излучением, распределение которого определяется интерференционным полем (рис. .23). Это распределение можно описать выражением вида:
Рис. 1.23. Распределение интенсивности при интерференции.
Температурное поле на поверхности можно представить в виде двух слагаемых:
Первое из них описывает температуру поверхности, которую определяет усредненное по лазерное излучение.
,
Второе – вклад пространственно промодулированной составляющей. При оценке вклада в нагревание пространственно промодулированной составляющей излучения мы имеем дело в рассматриваемом случае с так называемым тепловым диполем. Усредняя модуляционный член по , очевидно, получим 0. Дополнительного нагрева за счет модуляционного члена принципиально не получить, есть лишь дополнительный по отношению к среднему значению плотности мощности излучения приток тепла, но есть и его точно такой же отток, что в среднем дает ноль. Этот член может привести только к модуляции среднего значения температуры. Решение задачи имеет вид:
,
Как и следовало ожидать, распределение температуры на поверхности пропорционально
.
Рассмотрим, как изменится распределение температуры при больших временах воздействия:
,
Температура поверхности будет стремиться к
,
то есть даже в условиях, когда времена большие, теплопроводность не сглаживает модуляцию полностью, перепад температур остается:
. (1.69)
Выражение (.69) определяет тепловую разрешающую способность лазерного излучения с интерференционным распределением.
В условиях, когда в системе есть положительные обратные связи, даже малые могут играть важную роль.
1.3.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
Во многих практических применений лазерная обработка происходит движущимся по поверхности материала пятном лазерного излучения. Если пятно движется по поверхности, то независимо от характера теплоотвода и теплообмена происходит стабилизация температуры, связанная с тем, что при движении источника в процесс нагрева вовлекаются все новые и новые участки поверхности.
Рассмотрим случай, когда тело массивное, то есть его можно представить в виде полупространства, а источник точечный: его размеры малы по сравнению с длиной теплопроводности. Источник движется по поверхности со скоростью V в направлении x (см. рис. .24). Мощность источника (S – его площадь).
Рис. 1.24. Схема движения точечного источника по поверхности тела.
В этом случае распределение температуры по поверхности (z=0) в движущейся системе координат имеет вид:
На оси ( ) выражение становится совершенно простым:
1.70
Из выражения (.70) видна особенность нагревания движущимся источником: материал впереди него ( ) прогревается слабо. Характерная область прогрева впереди: . Позади себя движущийся источник оставляет слабо затухающий температурный шлейф (см. рис. .25).
Рис. 1.25. Распределение температуры от движущегося источника в движущейся системе координат.
Результат воздействия зависит от соотношения двух времен: эффективного времени воздействия - времени прохождения пятном излучения своего диаметра , ( ) и теплопроводностного времени ,
Рассмотрим частные случаи.
1. Быстродвижущийся источник.
, (тепло не успевает выйти из зоны облучения).
Воздействие аналогично разогреву полупространства импульсом с длительностью .
2) Медленнодвижущийся источник.
При происходит стабилизация температуры за счет теплопроводности, поэтому источник можно считать неподвижным:
.