- •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).
1.2. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
1.2.1. Термомеханические эффекты
В результате поглощения лазерного излучения в материале могут возникать волны сжатия. Один из механизмов, приводящих к возникновению таких волн, связан с испарением материала с поверхности образца, в результате чего нагретый материал получает импульс отдачи, направленный от поверхности в глубь материала. Импульс, передаваемый облучаемому образцу, был измерен во многих экспериментальных исследованиях, в которых использованы в основном мощные лазеры. В этом случае с поверхности удаляется значительное количество материала.
Удельный импульс, который определяется как отношение передаваемого механического импульса к энергии лазерного импульса, оказывается значительно больше импульса, который может быть передан маятнику за счет эффекта отражения фотонов (пондеромоторный эффект). Из результатов экспериментов (рис. .4) следует, что для каждого материала существует оптимальная плотность мощности лазерного излучения, при которой удельный импульс максимален. Если плотность мощности меньше оптимальной, то увеличивается доля энергии на теплопроводностные потери. Если же плотность мощности оказывается выше оптимального значения, то часть лазерной энергии поглощается парами материала, в результате чего передаваемый импульс оказывается меньше, чем в случае, когда это же количество энергии затрачивается для испарения большого количества материала.
В экспериментах была исследована зависимость изменения передаваемого образцу импульса от плотности мощности лазерного излучения по отклонению простого маятника в виде сферы из исследуемого материала, подвешенной на нити в вакуумной камере, на которую фокусировали излучение рубинового лазера.
Рис. 1.4. Удельный импульс, передаваемый различным металлам в зависимости от мощности импульса рубинового лазера, работающего в режиме модуляции добротности при постоянном размере области облучения
Пиковые давления, достигнутые в металлических материалах, которые облучались импульсами мощных лазеров на стекле с неодимом, работающих в режиме модуляции добротности, составляют десятки килобар. Импульс давления может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать откол на обратной поверхности тонких металлических листов.
Возникающий при испарении импульс давления может приводить к возбуждению в облучаемом веществе звуковой волны.
Для испарения необходимо, чтобы энергия, подводимая к материалу, была больше, чем удельная скрытая теплота испарения . Время начала процесса испарения зависит от соотношения энергии, необходимой для испарения и мощности поглощенного излучения
(1.15)
где – плотность материала, – показатель поглощения, – поглощенная плотность мощности лазерного излучения.
Из (.15) следует, что увеличение мощности излучения уменьшает время, за которое устанавливается режим испарения. Схематически картина поверхностного испарения изображена на рис. .5.
Разлетающиеся молекулы жидкости имеют импульс, направленный в среднем нормально к поверхности жидкости, по этой причине импульс отдачи, возбуждающий деформации в жидкости, так же направлен перпендикулярно к поверхности в глубь объема. Максимальное давление в жидкости при условии, что жидкость не нагревается выше критической температуры, можно оценить из соотношения:
,
где — испаренная масса, , — время установления процесса испарения, — скорость движения волны сжатия, — расстояние от поверхности, — скорость истечения пара.
Рис. 1.5. Схема процесса возбуждения звука в жидкости при ее испарении с поверхности за счет поглощения лазерного излучения: 1 —лазерный пучок; 2 — испаряемый объем; 3 — разлетающийся пар: 4 — волна сжатия в жидкости
Очевидно, энергия световой волны, перешедшая в энергию звуковой волны, растет при увеличении поглощения световой волны в среде. Поэтому коэффициент трансформации максимален при оптическом пробое.
Другой механизм возбуждения звуковых волн в среде основан на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), т.е. явлении рассеяния световых волн на тепловых упругих волнах (см. раздел 3).
При любом механизме генерация акустических волн, как за счет локального нагревания и испарения, так и за счет вынужденного рассеяния на неоднородностях показателя преломления, звуковая волна может сама по себе приводить либо к разрушению среды, если амплитуда звуковой волны больше предела упругости материала, либо к уменьшению интенсивности поглощенного лазерного потока вследствие перекачки его энергии в звуковые колебания среды.
К появлению механических напряжений в материале может привести его неравномерное нагревание. Это обусловлено свойством тел увеличивать свой объем при нагревании. Напряжения тем больше, чем больше перепад температур, возникающий при локальном нагревании материала, чем больше его коэффициент термического расширения.
Напряжения, возникающие при локальном лазерном нагревании можно характеризовать тензором напряжений. В цилиндрической системе координат (см. рис. .6) его нормальные компоненты - . и . Сжимающие напряжения отрицательны, растягивающие – положительны. В первом приближении можно считать, что при локальном нагревании напряжения сжимающие ( ), кроме поверхности, где , радиальные напряжения (сжимающие), напряжения при сжимающие, однако при они меняют знак и становятся растягивающими ( ), . Поскольку предел прочности обычно для растягивающих напряжений меньше, то наиболее опасными являются напряжения , которые вне области воздействия положительны.
Рис. 1.6. Напряжения, возникающие при локальном нагреве.
При локальном разогреве за счет теплового расширения поверхность внутри области воздействия радиуса представляет собой выпуклую сферу с радиусом:
0,2÷0,5 – коэффициент Пуассона. Оценка радиуса кривизны деформированной поверхности показывает, что при ~0,1 см, 0,5 см.
Такая локальная деформация поверхности может приводить к изменению индикатрисы отражения зеркал при наличии неоднородностей отражения.
Пусть на поверхности зеркала с поглощательной способностью есть неоднородность радиуса с поглощательной способностью . Температуру поверхности зеркала внутри неоднородности можно оценить как температуру, до которой нагреется полупространство с поглощательной способностью поверхности при действии равномерно распределенного лазерного потока с плотностью мощности (см. раздел 1.3.2) плюс температура локального перегрева неоднородности :
Перегрев неоднородности можно оценить как температуру, до которой нагреется малая область радиуса при действии поглощенного потока
Относительный перегрев неоднородности составит
,
при относительный перегрев будет:
.
При малых значениях , что характерно для зеркал, перегрев может достигать значительных величин (десятки раз).