- •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).
2.5.3. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением.
Процесс испарения математически описывают в рамках краевой задачи теплопроводности для конденсированной среды в системе координат, связанной с подвижной межфазной границей твердое тело - пар или расплав - пар, на которой происходит испарение. Если не учитывать боковой отвод энергии лазерного излучения за счет теплопроводности, что справедливо при жестком условии , где – продолжительность воздействия лазерного луча на материал, – радиус пятна нагрева, то задача о движении границы испарения может быть рассмотрена в рамках одномерной модели
(2.24)
где разность удельных энтальпий твердой и газообразных фаз, – удельная теплота испарения, – скорость движения межфазной границы.
Краевая задача теплопроводности (.24) существенно нелинейна, поэтому ее общего аналитического решения не существует. Следует отметить, что выход процесса на стационарный режим испарения определяется плотностью мощности лазерного излучения. Здесь возможны три варианта (см. рис. .6)
Рис. 2.6. Режимы выхода процесса испарения на стационарный режим ( Вт/м2)
2.5.3.1. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров.
Стационарный режим испарения металла ( ) будем рассматривать при следующих допущениях:
а) концентрация плазмы вблизи поверхности не велика, поэтому эффектами экранирования лазерного излучения можно пренебречь;
б) все подводимое тепло идет на испарение;
в) фазовая граница движется с постоянной скоростью .
При этом учтем, что источник тепла в материале в общем случае является объемным, связанным с поглощением лазерного излучения в среде, а на поверхности материала все тепловые потери определяются затратами тепла на фазовый переход при испарении.
В этом случае краевая задача теплопроводности (.24) запишется в виде
(2.25)
— коэффициент, учитывающий тот факт, что часть испаряемых атомов вновь конденсируется на поверхности, — начальная температура поверхности. Решение системы (.25) имеет вид
, (2.26)
где – стационарная температура поверхности конденсированной фазы, которая в общем случае отличается от температуры кипения при нормальном давлении, она зависит от плотности теплового потока . Из (.26) следует, что характерный размер прогретого слоя в материале при стационарном испарении , так же, как и при нагревании, определяется либо глубиной поглощения световой волны , либо величиной , зависящей от теплопроводящих свойств материала.
Важной особенностью распределения температуры по глубине при совместном действии в среде объемного источника тепла и фазового перехода является наличие максимума на глубине (см. рис..7). При значительной разности температур внутренний перегрев может привести к неустойчивости в перемещении фронта испарения.
Рис. 2.7. Изменение температуры в зависимости от глубины прогрева
Величину найдем из условия
(2.27)
Обычно для металлов и сильнопоглощающих полупроводников , поэтому
.
Оценки показывают, что .
В этом случае, учитывая, что глубина прогретого слоя , при стационарном испарении получим .
При плотностях мощности световых потоков ~ 109 Вт/м2 для хорошо проводящих тепло материалов м. Поскольку в области разогрев идет за счет проникновения лазерного излучения в материал и его поглощения, очевидно, что , где - толщина скин-слоя.
Для металлов м и С, т.е. поглощение потока лазерного излучения можно считать поверхностным.