0.2.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле

Представляет интерес рассмотреть нагревание поверхности полупространства, освещаемой излучением, распределение которого определяется интерференционным полем (рис. 0.20). Это распределение можно описать выражением вида:

Рис. 0.20. Распределение интенсивности лазерного излучения 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:

. (0.67)

Выражение (0.67) определяет тепловую разрешающую способность лазерного излучения с интерференционным распределением.

В условиях, когда в системе есть положительные обратные связи, даже малые могут играть важную роль.

0.2.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.

Во многих практических применениях 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 в направлении (см. рис. 0.21). Мощность источника (S – его площадь).

Рис. 0.21. 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:

(0.68)

Из выражения (0.68) 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. 0.22).

Рис. 0.22. 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. Температура в центре области воздействия будет:

.