
- •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).
1.2.3. Эмиссионные процессы
При действии лазерного излучения на металл возможны два механизма эмиссии электронов: термическая эмиссия и многоквантовый фотоэффект. Экспериментально эти механизмы можно различить по зависимости фототока от поляризации падающего света и отсутствию запаздывания тока по отношению к световому импульсу. Наблюдаемая экспериментально электронная эмиссия обусловлена обычно термическим механизмом.
Ток термоэлектронной
эмиссии
с элемента поверхности
,
имеющего температуру Т, определяется
известной формулой:
,
(1.16)
где
работа выхода,
постоянная.
Простейшая теория дает для
выражение
= 120 Асм2град2
(
– масса электрона,
– его заряд,
– постоянная Планка), одинаковое для
всех металлов. Экспериментально
определяемые значения
отличаются от приведенного теоретического
иногда даже по порядку величины.
Исследования показывают, что значения
и
весьма чувствительны к состоянию
поверхности металла. Так, наличие
адсорбированных на поверхности
положительных ионов приводит к образованию
двойного электрического слоя, который
заметно снижает работу выхода.
Не
останавливаясь на вопросе о значениях
констант
и
для различных металлов в различных
условиях, обратимся к зависимости тока
эмиссии от распределения плотности
падающего лазерного излучения по
освещаемой площади и от формы светового
импульса. Чтобы определить эту зависимость,
надо найти электронную температуру как
функцию времени и координат на поверхности
металла, и, подставив ее в выражение
(.16), проинтегрировать по всей площади,
на которую действует световой поток.
Естественно считать, что распределение
интенсивности света обладает симметрией
относительно оси потока
.
Считая распределение температуры на
поверхности металла с достаточной
точностью повторяющим распределение
интенсивности в падающем световом
потоке (это справедливо при малой
длительности светового импульса или
больших радиусах области облучения
(
),
когда поток тепла в глубь металла много
больше, чем поток в поперечном направлении),
получим:
(1.17)
где
- температура электронного газа на
поверхности металла, при этом
предполагается, что при
функция
достигает максимума:
.
Оказывается
удобным ввести эффективный радиус
,
определив его как радиус кружка на
поверхности металла, который, будучи
нагрет до температуры
,
дает тот же полный ток термоэмиссии,
что и реальная площадка с распределением
температуры
.
Из (1.17) получаем следующее выражение
для
:
(1.18)
Из
выражения (.18) следует, что лишь малая
часть освещенного пятна вносит заметный
вклад в термоэлектронную эмиссию, причем
площадь этой «рабочей» части изменяется
со временем пропорционально
.
Сложная форма реальных импульсов требует
обычно использования численного
интегрирования для расчета
.
Следует
отметить обстоятельство, которое может
оказаться существенным при изучении
термоэлектронной эмиссии под действием
лазерного излучения. Формула (.16),
используемая обычно для расчета тока
эмиссии, выведена в предположении, что
электронный газ однородно нагрет до
температуры
.
В рассматриваемых условиях это
предположение неточно, поскольку в
металле, поглощающем мощное излучение,
возникает вблизи поверхности значительный
градиент температуры, который вызывает
в свою очередь возникновение электронного
тока. Расчет, уточняющий выражение (.16)
показывает, что добавка к току, связанная
с градиентом температуры, мала. Уменьшение
тока термоэлектронной эмиссии определяется
наличием градиента температуры,
направленного к поверхности металла.
Так например, относительная величина
поправки к току для меди составляет
примерно
(
среднее за импульс
значение плотности потока лазерного
излучения), что при
~ 107 Вт/см2 дает около 10%.
Особенность фотоэлектрического эффекта под действием лазерного излучения состоит в том, что в практически важных случаях энергия кванта оказывается меньше потенциала ионизации, так что выход электрона из металла происходит при поглощении нескольких квантов.
Для этого случая
плотность тока
равна
(1.19)
Здесь
,
а
целая часть числа
х.
Формула (1.19)
описывает фотоэффект с поглощением
квантов. Она тем более точна, чем больше
число квантов
.
Однако, даже при
ошибка формулы (1.19) сравнительно невелика.
Как уже отмечалось, ток, обусловленный многофотонным фотоэффектом, сравнительно трудно наблюдать, поскольку он маскируется термоэлектронной эмиссией. Один из способов преодоления этой трудности состоит в уменьшении длительности лазерного импульса. Поскольку ток термоэлектронной эмиссии несколько запаздывает относительно потока излучения, а фотоэффект является практически безынерционным, возможно раздельное наблюдение этих эффектов. Для наблюдения фотоэффекта следует выбирать режимы облучения, когда температура поверхности мала, например, для серебра температура поверхности за время импульса должна повысится приблизительно на 250 °С, что исключает разрушение поверхности и обусловливает очень малую величину термоэмиссионного тока.