Фазовые переходы первого рода при действии лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АЩЕ51Я МУК 1ШСТНГУТ оБЩгй ЙЩЗИ

УДК [535:621.373.8] :539

СШХИН Александр Аловемедрмич ФАЗОЕЫЕ ПЕРЕХОД! ШРВОГО РОД ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОГЛОЩАЩИЕ 1ГОНДЕНСИРОВАННЫЕ СР^Щ!

(01.04.02 - теоретическая физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1992

Райота ещюднана в Институте общей физики РАН

Официальные оппоненты:

доктор фиэико-иатематичеекк наук Владимиров Вадим Владимирович

доктор физкко-иатеиатячесних наук

Саночккн Dpiifi Викторович

доктор фиэихо-ма«ема?ических наук Сшхевич Ояаг Арсекьзвич

Ведущая организация:

Физический институт вд. JLH.Лебедева РАН

Заката диссертации состоим в 15 ч.

на гаеезднии специализированного Совета Д 003 49 03 Института обще" физики РАН по адресу: I17942» ГСИ-1, Москва Б-333, ул. Вавилова, 38

С диссертацией, полный текст которое опубликован в "Труда Ш АН", т. 13, с. 3-107, 1988 г., можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН и других научных библиотеках.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических hüvx

профессор

РОССИЙСКИ

государстве» библиотека

. - з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Взаимодействие интенсивного электромагнитного излучения с поглощающими конденсированными средами активно исследуется на протяжении почти трех десятилетия. Перше публикации по этой проблей« появились вскоре после создания лазеров, хотл некоторые близкие вопросы обсуждались и в более ранних работах, В 1962 г. уже было известно, что импульс отдачи может быть связан о реактивным давлением испаренного вещества. Обнаруженной в 1963 г. сильное возмущение облучаемой годности за счет фазового перехода получило название всвтогидравличаского эффекта в отличие от наблюдаемого при малых ннтенсивностях излучения фотоакустического эффекта, который известен еще с прошлого ое-ка и обусловлен тепловым расаирэнязм вещества без изменения его фазового состояния.

Интенсивность излучения является одной из основных характеристик лазерного воздействия. В области высоких интонсивносгей. необходимых, например, для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза, главную роль в общей картина воздействия играет высокотемпературная плазма. В диапазоне умеренных интен-сивностей X ~ 10^ Вт/см^, которые рассматриваются в данной работе, становятся существенными процессы, связанные с динамикой фазовых переходов и поведением конденсированного вещества.

Актуальность темы диссертации определяется многообразием практических применений концентрированных потоков энергии, реализуемых в условиях лазерного воздействия. При исследовании лазерного воздействия возникает также ряд вопросов, которые

представляют самостоятельный физический интерес. Такие нерешенные вопросы имеются, в частности, в теории неравновесных фазовых переходов первого рода, последовательное описание которых сталкивается с трудностями как вычислительного,. так и принципиального характера.

Целы» работы является исследование динамики неравновесных фазовых переходов первого рода в условиях лазерного воздействия, что включает в себя выявление характерных свойств тепловой модели испарения, основу которой составляет однофазный вариант задачи Стефана, а также роли гидродинамических и плазменных эффектов при лазерном испарении вещества. Особое внимание уделяется при этом импульсам давления в конденсированной среде, которые индуцируются лазерным воздействием и оказываются весьма чувствительными к процессам, происходящим в зоне облучения.

Научная новизна. В результате .проведенных в диссертации исследований обнаружены качественно новые свойства стефанов-ской тепловой модели лазерного испарения: квазирезонансное поведение испарительного давления при модуляции кнтенсиачости излучения и резкая немонотонность испарительного давления в случае-реализации сильного перегрева метастабильной жидкой фазы.

На основе теоретического анализа экспериментальных данных впервые показано, что степень неравновескости лазерного испарения существенно изменяется при возникновении сильного поглощения в приповерхностном слое эрозионной плазмы.

Впервые исследован фотоакустический сигнал давления при наличии фазовых переходов в облучаемом веществе.

Впервые решена задача о поведении тепловых и гидродина-

- б -

мических возмущений на поверхности фазового раздела при -лазерном испарении и установлены пределы применимости сублимационного приближения, которое использовалось во нногтс работах по лазерному воздействию.

Впервые экспериментально показано, что при лазерном испарении объемно поглощаицих жидкостей процзсс шгода на. стационарный режим оказывается существенно немонотонным и что бистров уменьшение лазерной интенсивности монет индуцировать бски-паниэ пэрегрегой метастзбильной фазы.

Обнаружен новый тип неустойчивости шшзмешого факела, который проявляется при испарении металлической ыишани в воздухе з узком диапазоне интенсивности вблизи порога возникновения плазмы.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации теоретические и экспериментальные результаты показывают перспективность исследования быстрых фазогах превращений при лазерном воздействии посредством регистрации юзника<сщих при этом акустических возмущений. Экспериментальное обнаружение квазирезонансного поведения испарительного давления при модуляции интенсивности излучения может дать информации о фак*-тических пределах применимости тепловой модели испарения и о теплофизических параметрах перегретой метастабильной фазы. Поведение испарительного давления дает также информацию о реализации сильного перегрева и о роли гидродинамических эффектов в процессах теплообмена в зоне облучения. Исследованное в диссертации взаимное влияние тепловых и гидродинамических возмущений необходимо учитывать при анализе поведения облучаемой поверхности в широком диапазоне интенсивностей лазерного испарения. Изменение фотоакусгического сигнала р (■£) при плавлении

может быть использовано для регистрации и исследования особенностей этого фазового перехода в условиях импульсного лазерного воздействия. Обнаруженная в диссертации чувствительность перегретой метастабильной жидкости к параметрам импульса излучения. оказывается существенной при некоторых режимах лазерной обработки материалов.

Автор выносит на защиту разработку нового направления, которое определяется названием и целью диссертационной работн и является составной частью проблемы неравновесных фазовых переходов под действием концентрированных потоков энергии. Основные защищаемые положения можно сформулировать следующим образом:

I. В тепловой модели лазерного испарения, которая соответствует однофазному варианту задачи Стефана со слабой логарифмической зависимостью температуры перехода от скорости фазового фронта, реакция испарительного давления на модуляцию интенсивности излучения имеет максимум в зависимости от частоты модуляции. Этот эффект является наиболее выраженным для сильно поглощающих сред, у которых после начала действия лазерного импульса с постоянной интенсивностью процесс установления стационарного режима испарения имеет монотонный характер.

2. При объемном поглощении излучения в случае реализации сильного перегрева метастабильной жидкой фазы процесс установления обнаруживает существенную немонотонность, которая может проявляться в виде отдельного Пика или слабо затухающих нелинейных колебаний испарительного давления.

3. Регистрация акустических возмущений в конденсированной среде может служить эффективным методом исследования фазовых переходов при воздействии на поверхность среди концентрирован-

кых потоков энергии. Подобный подход соответствует сбощеии» известного фотсакусткческого метода на область нелинейных эф-фактов, когда состояние среда может существенно изменяться под действием лазерного излучения.

4. При теоретическом анализе воздействия мощного плектрб-магнитиого излучения на конденсированные среда в ряде случаев возникает необходимость одновременного рассмотрения различных физических процессов с учетом их взаимного влияния. К числу таких случаев относится задача об устойчивости поверхности интенсивно испаряющейся жидкости, в которой взаимодействие менду тепловыми и гидродинамическими возмущениями не позволяет, вообще говоря, рассматривать ее как задачу сублимации и ограничиваться только тепловыми возмущениями. Вахкшя примерами подобного рода являются также влияние сильного поглощения в эрозионной плазме на степень неравновескости испарительного процесса и вариации скорости неплоского фронта сублимации .за счет эффекта перекснденсацки.

Апробация работы и публикации. Представленные в диссертации результаты исследований докладывались на семинарах в Институте обчей физики, Физическом институте, Институте металлургии, Институте проблем механики, Отделении Института химической физики (Черноголовка) , Акустическом институте, Филиале Института атомной анергии (Троицк) , МГУ, ЦАГЛ, Институте физик!! АН БССР и других организациях, а также на Щ Всесоюзном совещании лс физике взаимодействия оптического излучения с конденси-розанными средами (Ленинград, 1574 ), П Всесоюзной конференции по фасогам переходе^ металл-диэлектрик (Львов; 1977 ). 1У Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействия оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 ), У Всесоюзной конфе-

рэнции до физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979), Ш Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Москва, 1979), У Всесоюзной научно-практической конференции "Теплофизика технологических процессов" (Волгоград, Т980), У Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения веществом (Ленинград, 1981), ТУ Международном симпозиуме по газовым течениям и химическим лазерам (Стреэа, Италия, Т982), :Ь' Всесоюзном симпозиуме по физике акустико-гидродинамических явлений и оптоакустике (Ташкент, 1962), У! Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984), ЕСКАМГМГ-90 (Орлеан, Франция).

Материалы диссертации опубликованы в 45 работах, ее основные результаты достаточно полно отражены в 25 публикациях, указанных е конце автореферата. Диссертация, целиком опубликованная в "Трудах ИОФАН", т. ТЗ (1988), с. 3 - 107, состоит из введения, пяти глав и заключения; объединенная с ней статья на с. 99 - 107 является дополнением к гл. 5. Работа содержит 39 рисунков, I таблицу и основной список литературы из 252 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТК. -

Во введении дается общая характеристика работы, определяющая ее актуальность, цель и основные защищаемые положения. Имеете с кратким обзором содержания диссертации по главам обсуждаются также некоторые другие публикации, имеющие отношение исследуемой проблеме.

!1ри дейсти« лазерного излучения на поглощающие конденсированные среда происходит целый ряд различных процессов, Ппсле частичного отражения не границе раздела падающее из-

лучение проникает в конденсированное вещество н поГлоцаэтся я приповерхностном слое, толщ>:на которого соо?в9тстЕуэг обратной величина коэффициента поглощения о4. . Поглощенная 'энергия в иоиеччоа счв1е термалхзуется, что сопросоздается измеиеикзм физических и химических свойств облучаоиого вещзства.. Размер зоны влияния лазерного воздействия ко ограничивается, вообще говоря, величиной оСили глубиной прсграва, поскольку ик-пульс давления, возникающего в зона облучения, распространяется т значительно большее расстояние.

Изменение хиуического состояния оЗлучасиого образца нота? быть обусловлено термическим раэяояеняеы или воспламенением гэщестзй. Дри определенных условиях ¡:а облучаемой поверхности появляется оксииая пленка, которая влияет на оптические свойства образца и динамику его нагрева излучением. Шглощамльная способность образца неняется, в частности, кз-эа кктерфэрскци-снных эффектов в окиенсй пленке, которые з садимо« диапазона проявляются в виде иэввсткыг "цветов побгаэлости". В настоящей работа рассматривается такие условия воздействия, когда влияние химических превращений является кесущаетваннш и его мозяо не учитывать.

При лазерном воздействии многие кзвзстгаа физические эффекты обнаруживают качественно ноше проявления. Так, сигнал давления, возбуждаемого в поглодаю®,ей конденсированной среде при действии лазерного импульса, может иметь противоположный знак по сравнению с обычным фотоакустическии эффектом, обусловленным тепловым действием излучения. Подобная ситуация реализуется для некоторых полупроводников, если за время импульса не успевает устанавливаться тепловое равновесие межлу решеткой и возбужденными носителями, как это имеет изсто, например, при

- то -

роздействии на кремний излучения от неодимового лазера.

Особенности поведения полупроводников при поглощении лазерного излучения привлекли к себе в последнее время внимание многих исследователей в связи с обсуждением нетеплового механизма лазерного отжига. В отличие от квазиравновесного нагрева и последующего плавления, этот механизм предполагает значительный отрыв температуры носителей от температуры решетки, которая остается ниже температуры плавления. Вопрос о роли нетепловых процессов при лазерном отжиге остается пока открытым, что свидетельствует, в частности, о необходимости дальнейших разработок эффективных методов исследования динамики импульсных фазовых превращений.

Поглощение плоской монохроматической световой волны приводит обычно к практически однородному нагреву облучаемой поверхности. Между тем при некоторых режимах лазерного воздействия на облучаемой поверхности возникают регулярные структуры с периодом порядка длины волны излучения, которые интенсивно исследуются в последние годы Это явление обусловлено интерференцией между падающим излучением и теми электромагнитными волнами, которые возбуждаются на неоднородностях поверхности раздела.

Пространственная модуляция интенсивности в интерференционной картине оказывает влияниэ на температурное полэ и динамику фазовых переходов, что при определенных условиях приводят к возникновению периодического рельефа на облучаемой поверхности, который сохраняется после окончания действия импульса излучения. Образование периодических структур при лазерном облучении соответствует новому типу вынужденного рассеяния, при котором происходит когерентное нарастание электромагнитных,

тепловых и гидродинамических возмущений на поверхности раздела конденсированной среды.

Рассмотрение таких периодических структур как одного из проявлений процесса вынужденного рассеяния света не сводится, разумеется, только к предпочтению той яли иной терминологии, но влечет за собой определешгаэ физические выводя, которые естественным образом следуют из общих свойств подобных процессов. Известно, например» что развитие вынужденного комбинационного или мандельытам-бруллюэковсксго рассеяния влияет на величину поглощаемой энергии и что при этом часть энергии падающего излучения дисслпируется за пределами той области, гда происходит поглощение излучения малой интенсивности. Аналогичные эффекты могут наблюдаться при действии лазерного излучения на поверхность непрозрачных сред в тех условиях, которые способствуют развитию вынужденного рассеяния на границе раздела, как это имеет место, в частности, при образовании периодических структур на поверхности металлов. Игнорирование этого важного методического момента затушевывает принципиальную связь подобных эффектов в различных типах вынужденного рассеяния а снижает общефизический уровень исследования, в которых при рассмотрении конкретной задачи эта связь остается нераскрытой.

Формирование периодического рельефа на поверхности испаряющегося металла свидетельствует о неустойчивости фронта фазового перехода, поддерживаемого монохроматическим излучением. Однако проблема неустойчивости фронта фазового перехода в целом не ограничивается задачей о вынужденном рассеянии.

Как отмечено в приведенном выше четвертом защищаемом положении, развитие различных возмущений на облучаемой поверхности необходимо рассматривать с учетом их взаимного влияния.

Уго положение, которое может показаться достаточно Очевидным, нуждается в защите по следующей причине. Дело в том, что за последние года заметное распространение получили такие подзову, например, когда неоднонерные тепловые возмущения на фронте лазерного испарения рассматриваются без учета гидродинамических эффектов и без анализа применимости этого сублимационного приближения [2-Ь] , причем получаемые таким способом результаты далеко выходят за рамки применимости используемого приближения. Очевидно, что в данной ситуации необходим критический анализ различных моделей и приближений, используемых для теоретического описания фазовых переходов при лазерном воздействии.

Фазовые перехода первого рода играют большую роль в рассматриваемом диапазоне ннтенсивностей'лазерного воздействия, однако состояние общей теории фазовых превращений пока еще не позволяет дать исчерпывающие ответы на некоторые существенные вопросы даже в случае таких, казалось бы, широко известных переходов, как испарение или плавление. Проблемы теории неравновесных фазовых переходов в известной мере отражают те трудности, которые возникает при описании сильно неравновесных процессов з .макроскопических системах.

Отсутствие фазового равновесия является необходимым условием для протекания фазового перехода, и поэтому термин "неравновесные фазовые переходы" содержит в себе, строго говоря, элемент тавтологии. Испсльзсвание такой терминологии оправдывается, однако, тем обстоятельством, что под "фазовыми переходами" нередко имеется в виду изменение свойств равновесных фазовых состояний в зависимости от температуры.

Этот терминологический аспект сам по себе вряд ли бы

- ТЗ -

заслуживал специального упоминания, если бы неравновеснооть фазового превращения всегда осознавалась с необходимой ясностью. Об отсутствии такой ясности свидетельствует, в частное» тм, утверждение из обзора [2] о том, что возникновение метасто-бильных состояний в опытах по лазерному испарению представляется маловероятным.

Интенсивное испарение как раз является примером неравновесного фазового перехода, который реализуется только при достаточно глубоком вторжении в область метастабильных состояний. Давление р на поверхности испаряющейся жидкости примерно ь два раза меньше давления насыщенного пара О,- при той же температуре поверхности ) , т.е. величина /„ заметно превышает равновесную температуру фазового перехода ) отвечающую давлению р . Фактически величина перегрева может быть еще больше из-за наличия температурного максимума в приповерхностном слое испаряющейся жидкости.

Вследствие неустойчивости гвтерофазньас флуктуаций ывтас-табяльные состояния икают конечное время жизни, которое варьируется в очень широких пределах и может быть весьма чувствительным к различным факторам внешнего воздействия. Это свойство ывтастабкльшх состояиий практически используется в г акта известных приборах как камера Вильсона или пузырьковая камера.

Глубокому вторжению а область метастабильных состояний способствуют большие скорости нагрева и охлаждения, которые реализуются при действии на вещество интенсивных импульсов от лазера или других источников концентрированных потоков энергии. Быстрое охлаждение, обусловленное большими температурными градиентами при импульсных воздействиях, используется для получения "замороженных" метастабильных состояний с качественно но-

- 14 -

выми свойствами или для других технологических процессов. Ме-тастабильные состояния могут воакикать также, при омическом нагреве проводников мощными импульсами тока или во время прохождения сильных.ударных волн.

Динамика неравновесных фазовых переходов существенно зависит от глубины захода в область метастабильных состояний. Активное исследование фазой« переходов при импульсных воздействиях фактически только начинается, и здесь еще имеется немало невыясненных вопросов и противоречивых результатов. Упомянутый выше нетепловой механизм лазерного отжига является лишь одним из многих примеров подобного рода. На до конца выясненными остаются-также вопросы о переходе типа металл-диэлектрик й условиях лазерного воздействия или об основных механизмах электрического взрыва проводников под действием ыощ-цого импульса тока,

В различных случаях для одного и того же фазового перехода делашся рааличные предположения о глубине вторжения в область мотастабильности. Цри испарении ударно сяатых металлов в волне разгрузки считается, например, что фазовый переход жидкость-пар начинается непосредственно на кривой фазового равновесия (бинодаль). В то же время при электрическом взрыве проводников реализация достаточно глубокого захода в область метастабильных состояний перегретого жидкого металла практически не вызывает сомнений. При этом неясно, однако, насколько близко удается подойти таким способом к границе абсолютной термодинамической неустойчивости (спинодаль).

Приближение к спинодали осложняется из-за быстрого уменьшения времени жизни перегретой жидкости по мере углубления захода в метастабильнув область. По этой причине до сих пор

но удается получить определенный ответ на один из основ»« вопросов в проблеме неравновесных фазою:* переходов, достижима ли вообще такая окрестность спинодали, где начинают проявляться сингулярности теплофизических параметров вещества, как ото имеет место вблизи критической точки - единственной точки на спннодали, которая непосредственно примыкает к области устойчивых состояний.

Ограниченность времени жизни метастабильного состояние перегретой жидкой фазы порождает также непростой вопрос об относительной роли поверхностного и объемного испарения при импульсном воздействии на вещество со свободной границей раздела. Следует иметь в виду при этомг что однородность перегретой жидкой фазы может нарушаться не только из-за роста гетеро-фазных флуктуация, но и за счет других неустойчивостей, связанных с конкретным способом создания метастабильного- состоя-ник. В случае электрического взрыва проводников, например, неустойчивость однородного омического нагрева на определенном этапе приводит к поперечному расслоению проводника.

Изложенный во введении краткий обзор состояния рассматриваемой проблемы позволяет сделать шзод о ее недостаточной изученности и необходимости дальнейших исследований в указанном направлении. Обзор литература, начатый во введении, пополняется в последующих частях диссертации.

В главе I исследуется лазерное испарение сильно поглощающих сред, для которых величина является малой по сравнению с другими характерными параметрами. Такое условие реализуется, в частности, для металлов. £51 лтой главы анализируется процесс установления стационарного одномерного режима испарения. Анализ проводите* в рэА'.чпх тепловой модели, кото-

- 16 -

рая соответствует, однофазноьу варианту задачи Стефана [ 6] с температурой перехода, зависящей от скорости движения границы раздела. Численные расчеты выполнены для интенсивностей воздействия Т^ К^-Ю^Вт/сц2, которые реализовывались в наших экспериментах по испарению свинца и висмута квазистационарными мнллисекундными ¡шпульсами от неодимового лазера.•

Из-за нелинейности задачи Стефана теоретическое исследование переходного ракша испарения в общем случае возможно только с помощью численных методов. Нестационарные эффекты в процессе лазерного испарения стали рассматриваться сравнительно недавно, причем в некоторых обзорах и монографиях [2,71 , посвященных, действию концентрированных потоков энергии на вещество", не дается практически никакой информации о поведении давления в нестационарном реаиме испарения на доплазменной стадии, а использованный, например, в Гв,9 ] метод линеаризации. испарительной задачи при анализе переходного процесса оказывается, некорректным из-за неадекватного выбора начального температурного профиля. Строго говоря, решение подобной задачи не мокет быть получено в.линейном приближении, Поскольку после линеаризации остается открытым вопрос о виде начального температурного распределения для линеаризованного варианта задачи. Решение этого вопроса требует выхода за рам-,ки линейного прибликения.

Необходимо отметить также, что при количественном описании цроцезса лазерного испарения возникают дополнительные трудности, связанные с малой изученностью теплофизкческих и оптических свойств конденсированных сред при высоких температурах, По эксперкигральным данным об изменении отражательной способности металлов за время действия лазерного им-

пульса модно .восстановить температурную зависимость ¡^ ¿'¡^) • если известны теплофизичёокка параметры я основные детали исследуемого процесса. Однако для металлов практически отсутствует экспериментальная информация об этлх параметрах в области температур, превышающих нормальную точку клиент, а результаты многих работ, э которых исследовалось поведение отражательной способности при лазерном облучении, кз всегда явягатск достаточно подшш к требуют, вообще говоря, дополнительных проверок и подтверждений.

В диссертации указано, в частности, что особенности экс-горЕМэнталъю наблюдаемого поведения отражательной способности, которые в 1связываяисъ с процессом шгавлошя, относятся к гораздо бола а высоким температурам, характерный для рз~ ияыа развотого испаренля. Известно также, что величина отра-Еятеяьиой. способности могзт зависать от мелкомасштабных воз-мущзияй на облучазмой поверхности* ^достаточная изученность а контролируемость процессов, протекающих на облучаемой поверхности, затрудняэт однозначное восстановление езлвчикы ■■ по динамике отражательной способности К Ы.

Необходимым условием для применимости тепловой модели испарения является малость внешнего давленая по сравнении с давлением насыщенного параБ атом случае реализуется такой репим кенарагая, когда поведение конденсированной среды модно рассматривать отдельно от газодинамики испаренного вещества, е. выракензя для потоков массы, импульса и внзргаи на граявдэ раздела зависят только от температуры облучаемой поверхности. Эти выражения имеют такой же вид, как ж при испарении в вакуум, когда достигается максимальное значение потока массы и минимальное значение давления отдачи при данной

- 18 -

температуре поверхности.

Свойства газодинамического разрыва на фронте фазового переход« при различных режимах испарешш и конденсации исследовались многими авторами с помощь» приближенных аналитических и численных методов. Последовательное рассмотрение этого вопроса представляет собой достаточно сложную задачу, которую пока еде-нельзя считать полностью решенной.

Б § 2 предлагается простая интерполяционная модель испарительного скачка, которая удобна для проведения приближенных аналитических оценок. Эта модель используется затем в § 3 для определения степени неравиовесности испарительного процесса в таких условиях лазерного воздействия, которые приводят к образованию' сильно поглощающего плазменного слоя. Численные оценки неравновесности получены на основе известных экспериментальных данных о величине давления отдачи и массе испаренного вещества при облучении алюминиевого образца наносекундными импульсами от неодимового лааера с интенсивностью X — 10%т/см^.

Из результатов 5 3 следует, что образование сильно поглощающего плазменного слоя приводит к существенному изменению степени неравновесности испарительного процесса по сравнению со случаем свободного испарения в вакуум. Для рассмотренных экспериментальных условий средняя степень неравновесности оказывается на порядок меньше максимально возможной. В подобных условиях не исключается, в принципе, и такая ситуация, когда наравновесность изменяет свой знак, т.е. процесс испарения на какое-то время сменяется конденсацией на облучаемой поверхности. Это обстоятельство необходимо адекватно учитывать при последовательном теоретическом анализе лазерного испарения с образованием плазмы в потоке испаренного вещества [101 •

: - 19 -

В этом «а параграфе излагаются результаты экспериментов по испарению свинцовых мишеней квазистационарными миллисекунд-ными импульсами от неодимового лазера, в которых была обнаружена околопороговая неустойчивость плазменного факела при сравнительно слабом плазменном поглощении. Эта неустойчивость наблюдается в узком диапазоне интенсивностей излучения вблизи порога возникновения стационарного плазменного факела в потоке испаренного вещества. Возникновение этой неустойчивости связано с тем обстоятельством, что порог первоначального образования плазмы в недорасшренной струе паров металла оказываотся ниже порога ее стационарного поддержания. Неустойчивость факела сопровождается колебаниями давления отдачи, относительная амплитуда которых дает информацию об эффективной оптической толщине плазменного слоя.

Поскольку испарительное давление отдачи р весьма резко зависит от температуры облучаемой поверхности, то поведение р является одной из наиболее чувствительных характеристик процесса лазерного воздействия. Отметим, что измерение р (£) во время действия импульса излучения дает более полную информацию, чем регистрация интегрального импульса отдачи, которая осуществлялась в раките работах по лазерному воздействию. Необходимо иметь в виду также, что при использовании коротких интенсивных лазерных импульсов интерпретация поведения испарительного давления осложняется вследствие возникновения сильно поглощающего плазменного слоя.

В 4 представлены результаты экспериментального исследования давления отдачи при испарении свинца и висмута под действием квазистационарных миллисекундных импульсов от неодимового лазера до порога возникновения плазмы. Сравнение

- 20 -

этих данных с теоретическими результатами из $ I показывает, что поведение р {{') еначитекьно отличается от предсказаний тепловой модели,

8то отличие мокет-быть объяснено при учете радиального дгижения расплава под действием градиента Испарительного давления. Втоснениа расплава из зоны облучения приводит не только к:известному эффекту возрастания выноса массы и скорости раадгвения образца, но и к значительному уменьшении испарительного давления , которое связано с изменением условий теплообмена в конденсированной фазе. Другими словами, движение расплава влияет на давление отдачи не. непосредственно, а через изменение температуры облучаемой поверхности, т.е. через энергетический какал. Основным механизмом формирования давления отдаад при этом остается процесс поверхностного испарения.

Для оценки стационарного значения испарительного давления в рассматриваемом случае использовалась модификация модельного подхода кз работы Ц1] , в которой неодномерная задача лазерного воздействия заменялась эффективной одномерной задачей. Такой подход позволяет подучить удовлетворительное согласие между теоретическим и экспериментальным значениями давления отдачи. С увеличением интенсивности излучения и'диаметра облучаемого пятка влияние радиального вытеснения расплава на поведение испарительного давления уменьшается.

Глава П. посвящена теории линейного отклика испарительного процесса на малое возмущение лазерной интенсивности. Выше уже отмечалось, что задача о поведении испарительного давления вблизи стационарного значения но всегда оказывалась разрешимой в линейном приближении из-за возникающей при этом проблемы начального условия. В работах [8,9] , где использовалась подобная

- 21 - '

процедура линеаризации, обсуждение этого вопроса отсутствует, а в качестве начального условия выбирается такой температурный профиль, который не удовлетворяет исходному предположению о малости температурного возмущения.

Подобная трудность не возникает при корректной постановке задачи о линейном отклике испарительного процесса на малое внешнее возмущение. Такой подход и полученные с его помощью результаты излагаются в §§ 5-7, где одета временно с испарительным процессом рассматривается также переход твердое тело-жидкость.

' Теоретическое исследование реакции испарительного процесса на гармоническую модуляцию интенсивности излучения показывает, что линейный отклик испарительного давления имеет максимум з зависимости от частоты модуляции. Аналогичные максимумы имеются у возмущений скорости и температуры облучаемой поверхности. Этот эффект является характерной особоанностью рассматриваемого варианта задачи Стефана, в котором температура на фронта перехода зависит от его скорости. Если считать температуру перехода постоянной, то амплитуда возмущений скорости в заивисимости от частоты модуляции будет монотонно увеличиваться и стремиться к асимптотическому значению, которое определяется теплотой перехода и не зависит от теплоемкости конденсированной фазы.

Квазирезонансноэ поведение линейного отклика наиболее отчетливо выражено для сильно поглощающих сред, у которых переходной процесс после включения излучения с постоянной интенсивностью имеет монотонный характер. В то же время процесс ' установления стационарного режима испарения таких сред после небольшого скачкообразного изменения интенсивности оказывается

измско*оннын, иго явно свидетельствует о качественном изменена переходного процесса в зависимости от вида начального температурного распределения в конденсированной фаза. В случае объемного поглощения,.когда глубину проникновения излучения в среду уке нельзя считать пренебрежимо малой по сравнения с характерной длиной температурного влияния, эффект квазиреэонанс-його поведения линейного отклика становится менее выраженным. Однако по мере увеличения перегрева конденсированной фазы, обусловленного уменьшением коэффициента поглощения оС > максимум амплитуды линейного отклика может снова возрастать. Такое поведение объясняется той кэ самой причиной, которая приводит г одномерной неустойчивости температурного профиля при достаточно больших перегревах.

В условиях развитого испарения величина давления отдачи определяется в основном испарительным механизмом. Кроме этого процесса заметный вклад в давление отдачи может вносить и тепловое расширение конденсированного вещества в прогретом слое, который непосредственно примыкает к облучаемой поверхности.

Б главе Ш исследуется роль этого механизма при различных режимах лазерного воздействия, вызывающего фазовые перехода в облучаемом веществе. В области малых интенсивностей, когда фазовое состояние среды не изменяется, этот механизм представля-ьт собой обычный фотоакустический эффект.

Фстоакустическому эффекту и его многочисленным приложениям посвящено большое количество публикаций 112]. В стандартной фогэакусгической методике применяется низкочастотная модуляция относительно слабого светового потока, который направляется н« поглощающую конденсированную среду. Возникающие при этом колебания температуры облучаемой поверхности вызывают

акустические возмущения в окружающей газовой атмосфере, котор?д> регистрируются с помощью микрофона. Однако таким способом трудно получить информацию о динамике фазовых превращений при икну« льсны! воздействиях концентрированных потоков энергии. В подобных случаях целесообразно регистрировать акустические возмущения не в округаицзм газе, а непосредственно в облучаемом вещества.

Относительная роль испарительного и теплового фотоакусти-чзского механизмов при возбуздении кшульсов давления в облу-наемоы вещества анализируется в §§ 8,9 да стационарного и переходного рэашшоз лазерного испарения, а также для процзсса иопарения под действием излучения в гармонически модулированной интенсивностью. Определены характерные частот модуляции, ара которых сравниваются вклада от этих двух механизмов при поверхностной и объемном поглощении излучения.

Влияние плавления на фотоакуотический эффект в конденсированной среде со свободной поверхностью раздела рассматривается в §§ 10,11, где показано, в частности, что поведение давления отдачи существенно зависит от величины перегрева твердой фазы относительно равновесной температуры плавления. Эта результаты свидетельствуют о перспективности подобного метода исследования динамики импульсного плавления и могут способствовать выясвзшго вопроса о перегреве твердой фазы в условиях импульсного воздействия, что пока не удалось с достаточной определенностью сделать другими методами.

В главе 1У излагаются результаты теоретического и экспериментального исследования лазерного испарения при объемном поглощении излучения, когда может возникать значительны® перегрев жидкой фазы. Границы применимости тепловой модели в этом случае являхтся менее определенными, чем при ловерхност-

- 24 - i

ной поглощения, из-за большой величины максимума температурного профиля в приповерхностном слое облучаемого вещества.

Пела ев учитывать возможное возрастание теплоемкости при • увеличения' температур®» *о этот максимум формально превосходит критическую температуру для перехода жидкость-пар. Такое приближение иопользуэтся, тем не иевзе, в работах£8,9,183 без кшсого-дябо обоснования и обоуэдения, хотя предположение о существовании конденсированной фазы в докритичаской области давлений при вакритических температурах трудно согласовать с обичшш физическими представлениями.

В §12 исследуется специальный вариант тепловой модели лазерного испарения, в котором допускается сальный перегрев кэтастабильноп кадкой фазы, но температурный максимум ш достигает критического значения из-за сингулярного поведения теплоемкости вблизи спинодали. В отличие от поверхностного поглощение переходной рзжим испарения оказывается в атом случае разка квиаю'юшш, a вшсто вэзавнсящего от в ре кэш стационарного резина могут возникать слабозатухаадие нелинейные колебания, Автоколабательный режим мояяо получить также в модели объемного вскипания, однако его характеристики существенно отличаются от случая поверхностного испарения, дал которого б условиях сильного перегрева отдельный пик давления отдачи на стадии переходного процесса возникает в гораздо более широком диапазоне ингзнсивностей воздействия, чем колебательный реалы испарения.

Появление пика давления в переходном процессе связано в основном с тем обстоятельством, что в рассматриваемой задаче источник и сток тепла окааываются пространственно разделенными. В результате объемного поглощения в жидкости за время переход-

- 25 -

кого процесса накапливается энергия, превыпащая то значение, которое необходимо для поддержания стационарного реадма испарения. Этот избыток эюргия затем "сбрасывается" при резком увеличении температуры поверхности и затрат ва испарение, что происходит в тот момент, когда движущаяся гранила испарения обливается о избыточно перегретой областью. При выполнении некоторых дополнительных условий этот процесс может стать ле-раодяческиы.Численное моделирование лазерного испарения проведено в. § 12 при различных значениях коэффициента поглощения, лазерной интенсивности и различных вариантах поведения

тешгофизических параметров перегретой ыетастабилыюй жидкости.

В §13 приводятся результаты экспериментов по лазерному испарению объемно поглсщащих жидкостей. Давление отдачи, как и в §§3-4, регистрировалось с помощью датчиков из дьозокера-мякя типа ЦТС, которые работали в режима источников напряжения. При действии на поверхность вода микросекуццных импульсов от С02 -лазера с плотностью энергии Е — 3 Да/спя2 обнаружено быстрое нарастание испарительного давления отдачи, которое согласуется с теоретическими результатами из предыдущего параграфа. 3 соответствии с этими ев расчетами немонотонность выхода на стационарный резшм испарения для таких длительностей лазерного импульса и о^Ю3 см~* не наблюдается. Немонотонность переходного процэсса с резким пиком давления обнаружена при воздействии миляисекундных импульсов от неодимового лавзера на насыщенный водный раствор хлорной меди с коэффициентом поглощения сЛ^ 500 см-*. Экспериментально наблюдаете поведение давления отдачи з этом случае гакже находится в качественном согласии в теоретическими результатами.

Характерное проявление неустойчивости метастабильюго со-

стояния порегретой жидкости при лазерном испарении описано в •5 14, где излагается результаты экспо ремонт а по воздействию на адатод и этанол юшшсзкувдных импульсов излучения, которые полртшоь с поаощьв обтюратора от работавшего в непрерывном реяваз СО^лззвра. Интенсивность лазерного излучения не превышала 1С4 Вт/сы^ при диаметре пятна ойлучения 0,5 мы, что почта на порядок меньше тех размеров, которые использовались в других наяшх экспериментах ш лазерному воздействию. Шиепт вскипания жидкости регистрировался о помощью кикрофона. В этом вкспэрикзкте было обнаружено, что при длительности облучения 2,5-3,5ыс вскипание ацетона индуцируется спадом интенсивности лаэорпого импульса. Такой результат явно свидетельствует о чувствительности перзгретой иетастабилькой фазы к условиям лаз-арного воздействия.

Б главе 7 георвгячвсял ясследуется поведение тепловых и гедродЕвашческкх возиущзкпй на фронте фазового перехода при лазерном пспареяте ко аде вснрованикх сред.

Анализ устойчивости фронта перехода в рамках задачи Стефана трзбует учета дополнительной зависимости скорости двиае-Ш1 граниту раздала он ее локальной кривизны. Это приводит к появлению нового характерного параметра задачи с разызрностью длшш , который в случаз плавления или отвердевания определяется отношением коэффднента поверхностного натяжения к объемной теплоте перехода (141 Без учета явной зависимости динамики базового перехода от кривизны границы раздела, как это делается, например, в работах £ 15,16 "] , получается некорректно результат: неограниченное возрастание или асимптотически постоянное роложительюе значение инкремента для коротковолновых возмущений. Такое поведение инкремента характерно

для задачи Стефана о постоянной и зависящей от скорости фронта температурой периода,

Анализу поведений возмущений на фронте испарения в рамках однофазного вприонть задачи Стефана лосвязаны работы / 2-5, '!6-тв3 , в которых испарение конденсированной среда рассматривает-с/; фактически как еуйлимацич твердого тола. Яри атом в [ То ] параметра = 0, т.е. влияния кривизны фронта на динамику фазового перехода не учитывается, а и \.2-5, Г.', Ш( в качества характерной длины, как и а аадачо нлаллвиия-итгердамния, используется отношение коэффициента поверхностного нотяжеиия к объемной теплоте перехода. В случае сублим'щнн ото отношение примерно соответствует мёжатомному расстоянию в твердой фазе.

Б § 15 указано, что такой подход также не является корректным. В задаче об устойчивости фронта сублимации характерная длина может быть связана не только с межатомным расстоянием в твердом теле, но и с .другой величиной, которая определяется длиной свободного пробега в газовой фазе. Появление еще одного характерного параметра длины, который отсутствует б -случав плавления и не зависит непосредственно от коэффициента поверхностного натяжения, обусловлено процессом пврекокденсе~ ции на неплоской поверхности раздала. Численный анализ такого эффекта был проведен недавно в работе ¡19] .

Необходимо иметь в виду при этом, что результаты, полученные в задаче об устойчивости фронта сублимации, нельзя автоматически переносить на случай испвряищейся жидкости, как это делается в £2-5,, 76-18]. Поведение возмущений на фронте перехода аидкость-пар существенно связано, в частности, с возмущениями давления, что не п.оэволяет рассматривать тепловые возмущения отдельно от гидродинамических эффектов.

- 28 -

В 5 1о анализируется различие в поведении возмущений на фронтах интенсивного исйарения и медленного горения, которое соответствует: режиму испарения с дозЕуховой скоростью течения паров, В доввуновом режиме возмущения на фронте перехода зависят от газод)шамкческих возцущений в потоке испаренного вещества,, что порождает, неустойчивость типа Даррье-Ландау; Посла достижения на границе раздела звуковой скорости в потоке пара эга связь нарушается, поскольку в таком случае необходимо учитывать еще одно фундаментальное резание линеаризованной системы газодинамических уравнений и формулировать дополнительное граничное условно на фронта перехода. Подобным условием может быть, в частности, требование независимости гидродинамической задачи для конденсированной фазы от внешней газодинамической задачи для потока испаренного вещества.

В §5 1?, 18 подучено и исследовано дисперсионное уравнении дл/Г инкремента малых возмущений на поверхности кспаряв-.¡дейся жидкости с учетом массопереноеа, давления отдачи, вязкости и термокапиллярного эффекта. В используемом подходе задача Стефана оказывается составной частью системы гидродинамических уравнений для вязкой нанимаемой жидкости. Стабилизация возмущений с большим« волновыми числами в данном случае обусловлена в оснозном не "энергетическим", а "силовым" влиянием поверхностного натявения.

Если иметь в виду поведение возмущений на фронте перехода, то испарительный процесс существенно отличается от режима сублимации. В пределе поверхностного нагрева, например, фронт сублимации устойчив, яогда как дисперсионная кривая для инкремента возмущений на фронте перехода жидкость-пар имеет область неустойчивости с верхним порогом по интенсивности воздействия,

Эта неустойчивость подробно исследуется в § 17 с помощь» приближенного аналитического и численного методов. Влияние вязкости и термокапиллярного эффекта рассмотрено а § 18.

Выполненное исследование позволило установить пределы применимости сублимационного приближения, в котором поведение возмущений на поверхности испаряющейся жидкости рассматривается бех учета гидродинамических эффектов. Было показано, в частности,, что в работах [~2~5, 17-18] это приближение использовалось далеко'за пределами его применимости и по этой причине полученные таким способом результаты нельзя считать корректными. Этот вопрос подробно обсуждается на с. 99 - 107.

При оценке общего состояния исследуемой проблемы и га.х методов, которые при этом используются, необходимо учитывать такие следующие обстоятельства. Утверждение работы [18] о том, что ее автором била предсказана тепловая неустойчивость плоского фронта волны лазерного испарения конденсированного вещества в вакуум и что до начала исследований автора по этому вопросу устойчивость плоского фронта волны лазерного испарения по отношению к неодномерным возмущениям в литературе не обсуадалась, является некорректным. О неустойчивости этого типа было известно ранее, и в работе [16] утверждается, например, что в ней исследована тепловая неустойчивость плоского фронта фазового перехода жидкость-пар при взаимодействии лазерного излучения с жидким металлом. Напомним, что поведение возмущений на фронте перехода в [Г6, 18?! рассматривается без учета гидродинамических эффектов п конденсированной фазе. В работах Г2, 3, 183 воспроизводится и обсуждается формула для максимального инкремента тепловой неустойчивости, однако при этом не указывается, что эта формула совпадает с выражением,

- 30 -

которое узе р&сте&?рк&азось ранее в [16 7 -

Отсутствие необходккак ссылок не предшествующие публикаций в работе [153 способствовало распространении наверной информации о проблема устойчивосги фронта кристаллквации не только & науедой, № к более массовой печати. В раздела '"Новости науяя" ка$тдао-арпуаяраого И8дашш[203 с указанием на работу (,161 сообщается, что в 1980 г. било установлено, что при криегалдкаацЕз: акцзетва за переохлажденной фа вы плоский фронт крнстаялкзацак нэустойяшв. Однако данная неустойчивость ßusa иавйс^нь а&догго до 1980 г. и к а^оиу гремсни активно кссле-довгиась на протяжения yse кнопзх десятилетий, как это следует из обзорд [14 ].

ОгсугсгЕуш кеобгсдкдаэ ссылки н в работах L 4,5,17 J , прячем в' [Ч, 17 ]' ¡геьгрзда&гея, ч?о дкфргищнокиш эффекты на приводя? к каадсг'взшгогду игаейешэ результатов, йоаутшишх для кк~ кроманта ssnüoaoä кеустоЁчйвосга бег учета гаккх аффакгов на кеплоскор границ раадеяа. Наличие больного количества подоб» ' тх некорректная ут крадена?» и выводов, епвсоя цотормх не исчерпывается приведэишии здесь ерэдореш, эааатио осдозняа? уеорэтйчеоЕиа н експеркаентальйыа исследования по sasepHOüy воедейстЕяи ш погдощаащае конденсированные среда.

Дкфракциошше еффокти приводят к образованию малхомасотаб-ных регулярных структур на поверхности различных поглощающих сред при вогдвйствии поляризованного 'монохроматического получения [.Tj , В отличие от более длинноволновых неустойчивостей, которые рассматривалась в §§ 15-18, -процесс нарастания таких мелкомасштабных возмущений тесно связан, с эффектами интерференции между падающим и рассеянным излучением подобно тому, как это имеет место в других процессах вынуяденного рассеяния.

В первых теоретических работах по вынужденному рассеянию света на поверхности прозрачных и поглощающих жидкостей воздействие излучения ва вещество определялось только пондеромоторным эффектом без учета нагрева¡13. Такой механизм дает относительно мална значения инкрешнта, и его экспериментальные проявления пока не обнаружены. Роль различных тепловых цеханизмов в про-гросе образования периодических структур обсуздается в §19,

В линейном приближении неустойчивые возмущения ва поверх11-ности раздела не дают вклада в усредненную по пятну облучения величину давления отдачи. Влияние таких возмущений на поведение испарительного давлзяия может проявиться на нелинейной стадии, если при этом заметно изменится характер уеплопзроноса в объема жидкой фазы. Для качественного описания вариации испарительного давления за счет этого эффекта в §20 используется тепловая шдель с зависящей от времени эффективной температуропроводностью жидкой фазы. В отличие от случая объемного подогрева кспаряпдейся жидкости при поверхностном нагреве достаточно быстрое увеличение эффективной температуропроводности приводит к падению испарительного давления. Численцме расчеты показывают, что плавное увеличение температуропроводности в 1,5 раза с характерным временем 20 мкс относительно слабо влияет на поведение давления отдачи, приближающегося к своему стационарному значению ^ ~ I МПа. Если при этом температуропроводность увеличивается в 4 раза, то давление уменьшается примерно вдвое. При скачкообразном воз. растащи температуропроводности в 4 раза давление отдачи падает почти на порядок. Подобная зависимость мохет использоваться для диагностики процессов геплопереноса в зоне облучения.

- 32 -

ДЬарлкениш к гл. У являются приведенные ка с. 99-107 результата численного анализа дисперсионного уравнения для инкремента вцзмущений на фронте фазового перехода при лазерное испаредйи силькопоглоцающих конденсированных сред.

Из этих рззультатов следует, что инкремент рассмотренной г § 17-, неустойчивости поверхности жидкого металла в зависимости от скорости воцарения [/ проходит через максимум Y — I0S с"1 (10^ слГ^ ) при V =«33 см/с и обращается в нуль при.V -.70 сч/с. Ынимая часть инкремента, которая в отсутствии с.ияарения совпадает с частотой обычны^ капиллярных волн, .-фи увеличении скорости испарения в рассматриваемом диапазоне монотонно возрастает. Такое поведений можно формально интерпретировать как увеличение эффективного коэффициента поверхностного натяжения испаряющейся жидкости, который становится заьисящим также от волнового числа к. . В этом же разделе численно исследована роль гидродинамических эффектов в процессе формирования на поверхности испаряадегося металла регулярных структур, период которьк связан с длиной волны падающего излучения, Соответствующий анализ проведен на основе дисперсная.юго уравнения, которое б отличие от полученного' в 5 Т7 содержит дифракционный фактор ^ , опредзля.иций величину неоднородной добавки к поглощаемой интенсивности û I ~ к А ^ -4 о^слсштнную интерференцией между рассеянной на рельефе Jii/./t> .•.^рхностной электромагнитной волной и падакцим излучением с ■дмгенсивностьк} 2-и . Расчеты зависимости^/^ показывают, что ар« одном и том же значении у величина инкремента у- оказывайся существенно заниженной, если вместо полного дисперсионного ¿'равнений пользоваться сублимационной моделью, как это делалось

ь [г-5, IG-18 J ,

-ЗЗ-

Полученные в диссертации р-ззультаты не согласуются с утверждениями и выводами, сделанными в ("2-5, 8, 13.; 15-161. Йа критику этих работ в научной печати ответа но последовала, хотя с момента ее опубликования прошло уже более 4 лат. Ответ был дан в иной форма. С.й.Анисимов 02.!0.89г. а офиидольноы отзыве утверждал по поволу данной диссертации, что "некоторые разделы работы повторяют боэ ссылок более ранние работы других авторов... В статьях тех лет можно встретить и формулы, которые диссертант приводить в своей работе как оригинальные. В частности, формула (2.4) содержится в статье Р.Рила (ÎÇ03),.. Таким образом, соискатель снова без ссылок приводи? s своей работе чужие результаты". Ути утверждения ке соответствует действительности, поскольку формула (2.4) не приводится: в как честве оригинальной и сразу посла нее дается ссылка на более раннюз работу других авторов, в которой содержится подобная формула. Ксомэ того, з работе Р.Риса, ссылка на которую имеется б обзоре I 95 J, процитированном в.диссертации," эта формула просто отсутствует. Данный пример иллюстрирует один из методов, который используется при распространении неверной информации.

Информационное поле в науке чрезвычайно "гзашумлено" утверждениями , имеадими ту же природу я тот ;хэ уровень досто-Рйрности, что и заверения насует "экономичности, надежности я безопасности" издих АЗС накануне Чернобыльской катастрофы. ОтеутствизУ научного сообщества адекватной реакции на этот "шум" злечег за собой тяхйлые последствия и для науки, и для . общества в целом. По этой причине данному Еопросу в диссертации уделено дополнительное дникание, хотя обстоятельный анализ 'этой проблему далеко выходит за рамяи настоящей работы и должен стать предметом саусстортельногс? исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результат диссертационное работы сформулированы а заключении к состоят в следующем:

1. В райках тепловой модели, соответствующей однофазному варианту вадачи Стефана, аналитически и численна исследован нестационарный режим лазерного испарения. Для сильно поглощающих сред.обнаружено неизвестное ранее свойство данной ыодвли: квазирезонансное поведение испарительного давления при модуляции интенсивности излучения. Подучено и исследовано выражение для функции отклика, которая определяет линейную реакцию процесса фазового превращения на гармоническую модуляцию интенсивности излучения.

2. Предложен простой вариант модельного описания газодинамического разрыва на фронте испарения. На основе теоретического анализа экспериментальных данных показано, что степень неравновесности лазерного испарения существенно изменяется из-за роста противодавления при возникновении сильного поглощения в приповерхностном слое эрозионной плазмы.

3. Теоретически исследовано влияние плавления на испарительный и фотоакустический механизмы генерации давления в облучаемом веществе. Определен вклад фотоакустического эффекта

в сигнал давления в переходном и стационарном режимах развитого испарения и при модуляции лазерной интенсивности. Определены частоты модуляции, при которых сравниваются вклады от фотоакустического и испарительного механизмов генерации давления. Показано, что установление автомодельного режима плавления перегретого твердого тела приводит к обращению в нуль линейного

акусгичзского вогмущеияя, связанного с это* процасесм, причем величина импульса давления существенно завяснт о? степэия начального перегрева.

4. Теоретически исследован переходной ртт поЕорхностко-го нспарэния в случае реалааецик сильного перегрева иатасга-бильиоЭ аидкоЗ фазы при объемно» поглощении излучения. Показано, что в э?ом случае в рамках тепловой модели необходимо учитывать сингулярное поведение тепяофнзичвекнх параметров вбляви спннодалн. Обнаружена существенная немонотонность в поведении испарительного давления, которая в оависшлости о? интенсивности излучения может проявляться в виде отдельного пика в процессе установления стационарного режима испарения или сжабозатухащих нелинейных колебаний.

5. Получено и исследовано дисперсионное уравнение дая малых воемущений на поверхности жидкости „ лепаряемой яазерюм иглучением. Определены относительные роли териокапидлярного . эффекта, испарительного давления я скорости испарения в поведении таких возмущений. Установлены предела применимости сублимационного приблкаенил и показано, что существенное влияние гидродинамических эффектов не позволяет корректно использовать это приближение в широком диапазоне условий лазерного воздействия, а при анализе устойчивости фронта сублимации требуется учет газокинетических эффектов, определявших вариацию обратного потока частиц на неплоской границе раздела.

6. Экспериментально продемонстрирована эффективность исследования быстрых фазовых превращений путем регистрации возникающих при этом акустических возмущений;

а. Обнаружено характерное проявление фазовой метастабиль-ности в условиях лазерного воздействия - взрывное вскипанве

- 36 -

перегретой жидкости, индуцированное спадом интенсивности т-зеряого импульса,

6. Зарегистрированы особенности сигнала давления, свяван-ныз с изменением относительной роли фотоакустаческого и испарительного механизмов генэрации давления е кмдкоети при различных интенсивностях лазерного импульса.

в, Обиаруаано качественное равяичиз испарительного процесса в случав поверхностного и объемного поглощения излучения - при объемном поглощзннн переходной процесс оказывается существенно неыонотонтш sa счет резкого пика на кривой давления. Наблюдаемое поведение испарительного давления согласуется с получениями теорэтичесяимн реаультатаан.

7. При испарении металлов кваанстациокарными мнллисэкукд-ними импульсами от иеодга.ювого лазера обнарукепо оначктельное отличие в поведении давления отдачи от предсказаний теплосой модели. Доказано, что в стационарном рвшяз поверхностного испарения это отяичле цо&ст быть объяснено при учете радиального вытеснения расплава нэ зош облучения, а обнаруженной - в узком диапазоне интенсивности воздействия колебания давления на свинцовой мишени обусловлены околопороговой неустойчивостью плазменного факела.

Основные результаты диссертации опубликованы-в работах: Т. Самохин A.A., Успенский A.B. Испарение вещества под действием лазерного излучения.- Препринт ФЙАН №. 143, M., 1979 - 33 с; Физ.хим.обраб.материалов, T98I, 3, с. 3-TI. 2. KoraSc2i«ai£0 A.I., SamorJiio A.A. Response of rariiatioa-induced evaporation to thermal and hydrodynaaie perturba-

- 37 -

tione, - J. de Physique, Oolloqua 09, suppl. oil If. 11 19ЙО, v. 41, P. С9-259 - C9-262.

3. flaaokbin A.A„, Oua'kor A.P. Qq the preeaore beinnor ia radiatioa-indcoed vaporisation of nefcala. - Pbys. befcfc., 1980, v. 77A, N. 5, P. 344-546.

4. Лохныгин В.Д., Самохин А.А. О роля плавш а процесс® развитого испарения металлов под действием интенсивного оптического излучения.- ТВТ, 1977, т. 15, Р б, с. П52-П57.

5. Самохин А.А. О газодинамическом разрыва иа фронте испарения." Крат, сообщ. по физике ШАН, 1932, Е> б,, с. 3-6.

6. Самохин А.А. Влияние эрозионной плавим ка кикзтнку испаре-ияя ae®.ec?sa под $8йс9вием идзнгения.- Крат, сообп;. по физаке ЙИАН, 1983, ¡3 2, с. 46-30.

7. Коротченко А.И.Самохин А.А. Об учете гядроднкакнадскях эффектов в тепловоз модели испарения новдансяроэанних сред под действии! интенсивного злэтромагнитного иадученяя.-Фмэ.хим.обраб.материалов, J978, Ш, с. 3-7.

8. Самохин А.А. О динамике импульсного плавления пря лазерном облучении твердых тел.- Крат, соодщ. по физике 2ИАН, TS79, .9 10, с. 32-24,

9. Коротченко А.И., Самохин А.А/ОЗазовые превращения к vep-мооптический эффект при действии интенсивного излучения на поглощающие среды,- Препринт ФИАН 9 222, М., 1981 - 20 е.; б). Термооптический эффект при испарении вещества под действием модулированного излучения,- Крот, ссобщ. по физике Ф.ЧАН, Т93Т, П 7, с. 2-6.

10. Xorotchenko АЛ., Sanokhin А.А., Gub^ov А.P. Efiecfc ox Intensity modulation on radiation-induced malting and vaporization o£ solids. - Appl. Phya., 1982, v. A27,

р. 121-124

Tl.Гуськов А.П., Коротченко А.И., Самохин A.A. а).Нелинейные аффекты при оптическом возбуждении звука в сильно поглощающих средах.- Тез. докл. Ш Зсесоюзн. симп. по физике акустико-гидродинамических явлений и оптоакустик. Ташкент, 1932, с. 10; б). Нелинейный отклик давленая на импульсное облучение сильно поглощающих сред,- Препринт ИОФАН JP 4, М., £935. - И с.

12. Самохин A.A. Акустические возмущения при различных режимах импульсного плавления.- Крат, сообц. по физике ФИАК,

J983, № 10, с. 48-52.

13. Самохин A.A., Успенский A.B. Влияние спинодазьных особенностей на процесс испарения перегретой жидкости.- ЙЭТФ, 1977,. т. 73, У 3, с. 1025-1031

ВиаоИаАп A.A., Üepeaeky А.Е. Qn tha manifeetation oi opi-nodal aiagularities In rodlation-inducod traporization of liquids. - Phys. Latt., 1979, v. ?}A, К* 5,6, p. 591-592.

15. Самохин A.A..Успенский А.Б. Испарение жидкости d условиях сильного перегрева.- Препринт ФИАН Р 56, У., 1931 -

20 с.; ТНГ, I9S2, т. 20, » 4, с. 718-724.

16. Самохин A.A. 0 гидродинамических возмущениях поверхности жидкости в условиях развитого испарения.- Крат, сообщ,, по физике ¡ЕИАК, 1961, № 6, с. 8-II.

77. Коротченко А.И., Самохин A.A. Задача Стефана и устойчивость фронта фазового превращения.- ДШ СССР, 1983, т. 269, № 3, с. 581-593. 18. Самохин А.А.Влияние испарения на поведение расплава при _ лазерном воздействии на металлы,- Квант, электрон., 1983, т. ТО, № 10, с. 2022-2026.

- а» -

19. Самохин Л.А., Сычугов В.А., Тищенно A.B. Механизма формирования периодических структур при воздействии излучения на поглощающие конденсированные среда,- Квант. Электрон., 1983, т. 10, V 10, с. 2739-2141.

20. Самохин A.A. Возмуцэн/е поверхности раздала при фазой« переходах под действием интенсивного монохроматического излучения. Препринт ФИАН J* 34, М., JS84, 16 с. { Поверхность, 1985, Р 9, с. 23-30.

21. Карлов Н.В., Крннецкий Б.Б., Мишин В.А., Самохин A.A. Метастабильность видкоЯ фазы в условиях развитого испарения конденсированных сред.- Письма в K3TÖ, Т974, т. 19,

Р 2, с. III-II4.

22. Коротченкс А.И., Самохин A.A., Сидорин A.B. Ловеденяз давления в хидкости при поглощении интенсивного ИК излучения.- Крат.сообщ. по физике ФИАН, 1979, !* 3, с.35-39.

23. Korotchenko A.I., Popov N.X., Sanokhin A.A. On the pre« sure history of radiation-induced vaporization of a liquid. - Phys. Lott., 1979, v. 75A, 8. 5,6, p. 393-39^.

24. Жиряков Б.М., Попов И.И., Самохин A.A. Влияние плазмы на ззаимодейстрие лазерного излучения с вецесгвом.- ЖЭТФ,

J978, т. 75, * 2, с. 494-503.

25. йиряков Б.М., Коротченко А.Я., Полов Н.И., Самохин A.A. Влияние гидродинамических возмуцений на лазерное испарение металлов с фазовой границей раздела.- Квант, электрон., J933, т. 10, * 6, с. 1193-1195.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[I] Ахманов С.А., Емельянов В.И., Коротеев Н.И., Сениногов В.В. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика.- УФН, 1985, т.147, № 4, с. 675-745.

[2| Бунхин О,В., ТрибельскиЙ М.И., Нерезонансное взаимодействие нового оптического излучения с жидкостью.- УФН., 1960, т. 130, » 2, с. 193-239.

)3.1 Анисимов С.И., ТрибельскиЙ М.И,, Эпельбаум Я.Г. пеустойчи-еость плоского фронта испарения при взаимодействии лазерного излучения с веществом,- ЖЭТФ, 1960; т. 78, № 4, с. 1597-1605.

14} Гольберг С.М., ТрибельскиЙ М.И. Развитие неустойчивости при нестационарном испарении конденсированных сред под действием излучения.- ФТТ, 1982, т.24, £ 3, с.787-794.

[5] ТрибельскиЙ М.И., Гольберг С.М. О резонансном возбуждении поверхностных электромагнитных волн при лазерном испарении конденсированных сред.- Письма б НТФ, 1982, т. 6, Р> 20,

с. 1227-1250.

[6] Карслоу Г., Егер Д., Теплопроводность твердых тел. М., Наука, 1964.- 463 с.

[7] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения больлой мощности на металлы,- М., Наука, Т970, - 272 с.

'Анисимов С.И., Гольберг С.М., Соболь Э.К., ТрибельскиЙ М.И. Колебательные реясимы испарения конденсированных сред под

- 41 -

действием малучения.- Письма в ЖГО, 1901, ч. 7,»|14 с. 882-887.

^ Либов Б.Я., Соболь Э.Н. Процессы теплопвреноса. йрй фазовых превращениях под действием интенсивна* потоков энвргии,-Ш, 1983, т. 45, » 4, с. 670-686.'

ин В.И., Дестрякова Г. А. Математическое цодвлированне процессов поверхностного испарения лазерным излучение».-ДАН СССР, 1984, т. 278, Р 4, с. 843-847.

[ilj Батанов В.А., Федоров В.Б. Вымывание яидкой фаги - новый механизм формирования кратера при плоском развитом испарении металлической мишени лазерным лучом.- Письма в ЯЭТФ, 1973, т. 17, с. 348-351.

[12>Ллмшев Л.М. Оптико-акустические источники звука,- У®, 1981, т. 135, » 4, с. 637-669.

[ТЗ^Гольберг С.М., Трибельский М.И. О лазерном испарении нелинейно поглощающих веществ.- ЯМ, 1985, т. 55, В 5, с. 848-857_

44J. banger J.S. Instabilities and pattern formation in crystal growth. - Нет. Mod. Pbye., 1980, v. 52, p. 1-23.

[тЗ^Анисимов С.И., Трибельский М.И. Неустойчивость границы фаз при росте кристаллов из переохлажденной жидкости.-Письма в ЖТФ, 1980, т. 6, * I, с. 31-34.

|!б} Эпельбаум Я.Г. Макроскопическая кинетика фазовых превращений в условиях импульсного нагрева металла током. Авто-реф. дис.... канд.физ.-мат.наук,- Новосибирск, 1978. - 16с.

!17>Гольберг С.М. Неустойчивость испарения и поверхностного окисления твердых тел под действием излучения. Автореф. дис____ Канд. физ.-мат.наук. Черноголоь а, 1982,-16 с.

¡18} Трибальский М.И. Тепловые неустойчивости при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Автореф.дис.... докт.фиэ.-мат.наук.- Черноголовка, Г963, - 34 с,

¡19] Абрамов A.A. Сильное испарение газа с двумерной периодической поверхности,- Изв. АН СССР. ЮЯГ, 1965, f 2, с. Т32-Т35.

]20) "Природа", 1963, » 10, с. Т06.

Введение

Глава 1= Действие лазерного излучения на сильно поглощающие конденсированные среды

§ I. Стефановское описание (тепловая модель) лазерного испарения вещества

§ 2. Газодинамический разрыв и граничные условия на фронте испарения

§ Зв Испарительный процесс и образование плазмы

§ 4. Влияние расплава на взаимодействие лазерного излучения с металлами

Глава П. Реакция испарительного процесса на модуляцию поглощаемой интенсивности

§ 5. Изменение температурного профиля в среде при модуляции поглощаемой интенсивности

§ б. линейный отклик испарительного давления в случае поверхностного и объемного поглощения излучения

§ 7. Влияние плавления на линейный отклик испарительного процесса

Глава Ш. Фотоакустический эффект при наличии фазовых превращений в облучаемом веществе . III

§ 8. Испарительное давление и фотоакустический эффект в стационарном и переходном режимах развитого испарения . III

§ 9. Фотоакустический эффект при испарении вещества под действием излучения с модулированной интенсивностью

§ 10. Влияние плавления на фотоакустический эффект в условиях импульсного воздействия излучения

§ II. Акустические возмущения при автомодельном режиме плавления

Глава 1У. Влияние перегрева на процесс лазерного испарения вещества

§ 12. Тепловая модель поверхностного испарения в случае реализации сильного перегрева

§ 13. Ловедение давления отдачи при объемном поглощении лазерного излучения

§ 14. Лроявление фазовой метастабильности в условиях лазерного воздействия

Глава У. Тепловые и гидродинамические возмущения в процессе лазерного испарения вещества

§ 15. Устойчивость фронта фазового перехода и задача Стефана

§ 16. Влияние газо- и гидродинамических эффектов на поведение поверхности раздела при испарении

§ 17. дисперсионное уравнение для малых возмущений на поверхности невязкой несжимаемой жидкости в условиях развитого испарения

§ 18с Возмущения испаряющейся жидкости при учете вязкости и термокапиллярного эффекта

§ 19. Механизмы формирования периодических структур при лазерном воздействии на поглощающие конденсированные среда

§ 20. Влияние гидродинамических возмущений поверхности раздела на процесс испарения жидкости

Актуальность теми диссертации определяемся многообразием практических применений концентрированных потоков энергии, реализуемых в условиях лазерного воздействия. При исследовании лазерного воздействия возникает также ряд вопросов, которые представляют самостоятельный физический интерес. Такие перешей нне вопроси имеются* в частности» в теории неравновесных фазо*» вых переходов первого рода, последовательное описание которых сталкивается с больший трудностями как вычислительного, так и принципиального характера.

Целью работы является исследование динашки неравновесных газовых переходов первого рода в условиях лазерного воздойствж что включает в себя выявление характерных свойств тепловой т-» дели испарения, основу которой составляет однофазный вариант задачи Степана, а также роли гидродинамических и плазменных эффектов при лазерном испарении вещества. Особое внимание уделяется при этом возмущению давления в конденсированной среде, которое инщщируется лазерным воздействием и оказывается весьма чувствительным к процессам, происходящим в зоне облучения

Автор выносит на защиту разработку нового направления, которое определяется названием и целью диссертационной работы и является составной частью проблемы неравновесных фазовых переходов под действием концентрированных потоков энергии. Основные защищаемые положения можно сформулировать следующим • образом^

I. В тепловой модели лазерного исщрешщ, которая соответствует однофазному варианту задачи Стефана со слабой (логариошческой) зависимостью температуры перехода от скорости базового f-ронта, реакция испарительного давления но модуляцию интенсивности излучения имеет максимум в зависимости от частоты модуляции» Этот Э(Шект является наиболее выраженным дня сильно поглощающих сред» у которых после начала действия лазерного импульса с постоянной интенсивностью процесс установления стационарного режима иена рения имеет мшотошшй характер.

2. При объемном поглощении излучения в случае реализации сильного перегрева метастабильной жидком газы процесс установления обнаруживает существенную немонотонность, которая может проявляться в виде отдельного пина или слабо затухающих нелинейных колебаний испарительного давления.

3. Регистрация акустических возмещений в конденсированной среде мшет служить эгфактивнш методом исследования базовых периодов при воздействии аа поверхность срегщ концентрированных потоков энергиие Подобный подход соответствует обобщенна известного ашоакустического метода на область нелинейных э<Т~ Тентов» когда состояние среда ¿газет существенно изменяться под действием лазерного излучения.

4« При теоретическом анализе воздействия мощного электромагнитного излучения на жонденеировашше среди в ряде случаев возникает необходимость одновременного рассмотрения различных физических процессов с учетом их взаимного влияния» К числу тшш случаев относится задача об устойчивости поверхности интенсивно испаряющейся жидкости» в которой взаимодействие меиду тепловыми ш гидродинамическими возмущениями не позволяет вообще говоря* рассматривать ее как задачу сублимации и ограничиваться только тепловыми возмущениями. Эаяввш примерами подобного рода являются тамге влияние сильного поглощения в эрозионной плазме на степень неравиовесиостй испарительного процесса и шршцш скорости невдосшго ^шта субдшецшз за учет зедеента перейонденсащш.

Четвертое заирдаемое положениекоторое монет показаться .достаточно очешдада, нуздотся в эащште по следующей щтшо. Дел© в том8 что за послодгше года заметное распространение получила такие подходи, когда, наврдоер, неодшшрнш тепловые возмущения на фонте лазерного испарения рассматриваются без учета гидродишшчеешх эффектов ш без анализа пределов ирзгле-шмоети этого сублимационного драблшешш, причем получашше таким способом результаты далеко выходят за рамки применимости используемого приближения. Кошгретше примеры подобных неадеква-тише подходов буиут указана в дальнейшем» Очевидно* что в данной ситуации необходам критическим анализ различных моделей и при-блшшзй, эспользуашх для теоретического описания йазовж переходов ори лазерном воздействии.

При действии лазерного излучения на поглощающие нонденсв«» реванше среда происходит целый ряд различных процессов«, После частичного отражения на границе раздела падающее излучение проникает в йшдешнрованнш вещество в поглощается в приповерхностном сдое» толщина которого соответствует обратной величине коэффициента поглощения оС . Поглощенная энергия в конечном счете тершлизуется9 что сопровождается изменением I ¿^ачеоних и хштчеетт свойств облучаемого вещества. Следует шеть в виду при этом» что размер зона влшшая лазерного воздействия не ог-рашршвается» вообще говоря® величиной м® глубиной прогреванескольку .шпульс девлонш, возникающего в зоне облучения» распространяется на значительно большее расстояние®

Изменение химического состояния облучаемого образца монет быть обусловлено термическим разложением (пиролиз) или воспламенением вещества» При определенных условиях ш обяртшэй поверхности появляется окисная пленка в которая влияет на опта« веские свойства образца и .динамику его нагрева издучешш« Ш* глотательная способность образца меняется* в частности аэ-за интерГоренцшошшх згфчжтов в окисной пленке, которые в видимом диапазоне проявляются в виде известных "цветов побежалости" /20,21/. В настоящей работе рассматриваются также условия воз«*^ действия, когда влияние химических превращений является несущественным и его можно не учитывать*

При лазерном воздействии многие известные йпзические эффекты обнаруживают качественно новые проявления. Так, сигнал давления в поглощающей конденсированной среде при действии лазерного импульса может иметь противоположный знак по сравнению с обычным фотоакустическим эффектом, обусловленным тепловым действием излучения. Подобная ситуация реализуется да иекото~ рых полупроводников, если за время импульса не успевает устанавливаться тепловое равновесие между решеткой и возбужденными носителями /22/.

Особенности поведения полупроводников ори поглощении верного излучения привлекли ж себе в последнее вреш внимание многих исследователей в связи с обсуждением петепдового механизма лазерного отжига /23-28/. В отличие от квазираваовосного нагрева ш последующего плавления,, этот механизм предполагает значительный отрыв температуры носителей от температуры решетки, которая остается ниже температуры плавления. Вопрос о том, вее~ гда т лазерный отжиг сопровождается плавлением, остается пока открытым, что свидетельствует, в частности, о иеобходи-.'. мости дальнейших разработок эффективных методов исследования дшашш импульсных фазовых переходов.

Поглощение плоской метохроштичесшй световой вошш обидно приводит ж практически одаородгвду нагреву облучаемой поверх хности» Моду тем ори некоторых решшх лазерного воздействия на облучаемой плоской поверхности возникают регулярные струн-туре с периода порядка длины волны излучения» которые интенсивно иеолащлзтся в последние года /28-40/, Это явление обусловлено штерференцшей мощу падающим излучением ш теш электромагни-«таыш волнаш®, которые возбущрются на неодародностях поверхности раздела.

Пространственная юяуяящя интенсивности в интерференционаой картине оказывает влияние на температурное поле и динамику базовых перехода, что при определенных условиях приводит к возникновению периодического рельефа на облучаемой поверхности, который сохраняется после окончания действия шпуяьса излучения» Образование периодических структур при лазерном облучении соответствует новому типу выщрщешого рассеяния» при котором происходит когерентное нарастание твт^щттттшт* тепловых и шдродйшшичесшх шзвденшй на поверхности раздела конденсированной среда« базовые перехода первого рода играют большую роль в рас-сматрйшевдам дашзше интенсивностей лазерного воздействия, однако состояние общей теории «Чазовых превращений пока еще не позволяет дать ответе на некоторые существенные вопроса даще в случае таких, казалось бы, широко известят: переходов, как испарение или плавление /41/* Проблемы теории неравновесных фазовых переходов в известном мере отражают те трудности, которые возникают при описании сильно неравновесшж процессов в макроскопических системах*

Отсутствие фазового равновесия является необходимым условием для протекания фазового перехода, и поэтому термин "неравновесные Фазовые перехода® содержит в себе, строго говоря, элемент тавтологиив Использование такой терминологии оправдывается* однако, тем обстоятельством, что под "Фазовыми переходами-' нередко имеется в виду изменение свойств равновесных фазовых состояний в зависимости от температуры (см., напр., /42/, § 142).

Этот терминологический аспект сам- по себе вряд .ли эас драйва л бы специального упоминания, если бы неравиовестность фазового превращения всегда осознавалась с необходимой ясностью« Об отсутствии такой ясности свидетельствует, в частности, утверждение из недавнего обзора /43/ о том, что "возникновение мета-стабильных состояний в опытах по лазерному испарению представляется маловероятным" (стр. 207).

Интенсивное испарение как раз является примером неравновесного фазового перехода, который реализуется только при достаточно Габоном вторжении в область метастабилышх состояний* «Давление р ш поверхности испаряющейся еидкоств примерно в .два раза меньше давления насыщенного пара !0) при той Ее температуре поверхности /а * т.е. величина 7© заметно превшает равновесную тешературу фазового перехода С) * отвечаащш) давлению р . Фактически величина перегрева монет быть еще больше из-за наличия температурного максимума в при« поверхностном слое испаряющейся жидкостив

Вследствие неустойчивости гетеросТазных флуктуацпй мета

- и стабильнее состояния имеют конечное врещ шзии, которое варьируется в очень широких пределах и моиет быть весьма чувствительным к различным факторам внесшего воздействия /44,45/. Это свойство метастабильнш состояний практически используется в таких известных приборах* как камера Вильсона или пузырьковая камера.

Глубокому вторжению в обяэстьйетастабшыщх состояний способствуют больше скорости нагрева и охлащтения, которое реализуются при действии на вещество интенсивных импульсов от лазера или .других источников концентрированных потоков энергии. Быстрое охлаждение, обусловленное большими температурнши градиентами при импульсных воздействие, используется для получения "замороженных55 метастабильнш состояний с качественно швы-ми свойствами или других технологических процессов /46,47/. Метастабильнш состояния могут возникать также при омическом нагреве проводников мащтш импульсами тока или во время прохождения сильных даршзх волн.

Динамика неравновесных (Тазовых переходов существенно зависит от глубина захода в область метзстабилынж состояний« Активное исследование сазовых переходов при импульсных воздействиях фактически только начинается, и здесь еще имеется немало неш-яенеш-шх вопросов и противоречивых результатов. Упомянутый вше нетепловой механизм лазерного отжига является лишь одам из многих примеров подобного рода« Сообщение /48/ о получении аморсшого адшш-шя при лазерном облучении не подтвердилось при последующей экспериментальном проверке /49/, однако в работе /50/ баш получены теоретические результаты, соответствующие данным работе /48/, авторы шторой упо согласились с выводам /49/. Не до конца выясненными остаются вопроса о переходе типа то. мешдл-лиэдектрик в условиях лазерного воздействия /43/ и об основных механизмах электрического взрыва ороводашов под действием мощюго импульса тою /51-58/ т» X) различных случаях для одного и того же газового перехода делаются различные предположения о глубине втораешя в область метаетабндъноетв. При испарении ударно сжатых металлов в волне разгрузки считается, например, что фазовый переход жидкость - вар начинается непосредственно на кривой фазового равновесия (бдаодаль) /5?, 58/. В то же время при электрическом взрыве проводников реализация достаточно глубокого захода в область метастэбильнш: состояний перегретого жидкого металла практически не вызывает сомнений /54-56/. При этом неясно, однако, насколько близко удается подойти таким образом к границе абео-шшой термодинамической неустойчивости (сштодаяь)*

Приближение к сггашрш осложняется из-за быстрого ушаъ-шешзя времени жизни перегретой жидкости по море углубления захода в метастабияьщло область* По этой причине до сих пор не удается вощгтть определенный ответ на один из основных вопросов в проблеме неравновесных фазовых переходов: достижима зш шооть епиноделв, где начинают проявляться теолофизических параметров вещества, как это имеет место вблизи критической точки - единственной точки на ттШр которая непосредственно примыкает к области устойчивых состояний /89-63/*

•¿«аймош-юсть времени жизни метастабильшго состояния перегретой жидкой фазы порождает также непростой вопрос об относительной роли поверхностного ш объемного испарения при шн пульсном воздействии на вещество со свободой границей раздела

12 9 64-69/, Свдуот иметь в шдщг ври &tó£-, что одэородщосгь перегретой щдай оаза шжет иарушться не ттт ss-за роста гетерой знпх вщшдашй* но в за ечет других неустойчивоетей, связанных с шщретнш способш создания шта стабильного состой тшя» В елуше тэжщтттт шрива щшодагаов, напримерs неустойчивость одаюродаого шшеешго нагрева на определенном этапе приводит к пошро'шощг рессяоенш яроводшшэ /51/,

Этот краткий обзор некоторых вопросов, возникающих при исследовании воздействия концентрзрованных потоков шергш на вещество, не является, раздается» исчерпывающим и будет дополняться ш мере дальнейшего изложения* Однако píe на основе это-« го материала шшо сделать вшздд о недостаточной разработанности проблема неравновеснах еазовах переходов и о необходимости развития исследований в этом направлении*

В § 1 диссертации анализируется процесс установления стационарного решша испарения сильно поглощающих сред /70» 71/ в рамках тепловой тд&т, которая соответствует однофазному варианту задачи Стейаш /8/» Из-за нелинейности задачи Степана теоретическое исследование переходного реш® испарения в общем олуше возшяно только с помощью чтяешш. методове Шетацво-нарше ошекты в процессе лазерного испарения стаж рассштр?-ваться сравнительно недавно* В ряде обзоров и шнографий /10-17/, посвявшешх действию щщентри^ваннше потоков энергии на вещество, не деется практически никакой инбторшциз о поведении давления в нестационарном режиме испарения* а исяояьзованшй в /16, 19, 72, 73/ метод линеаризации испарительной задачи при анализе переходного процесса шаздаается, строго говор!» ненор-ректнда из-за неадекватного выбора начального температурного распределения.

Необходимо отметить также» что при количественном описании процесса лазерного испарения возникают дополнительные труд ности, связанные с малой изученностью теплосдаичеекпх и оптических свойств конденсированных сред при высоких температурах, lio экспериментальным данном об изменении отражательной способности металлов f{ ({j за время действия лазерного импульса при некоторых предположениях о теплопизических параметрах можно восстановить температурную зависимость ЯСТ) подобно эду как это делалось, например, в работе /74/. Однако для металлов тактически отсутствует экспериментальная инсТюршция о поведении температуропроводности в области температур, превшашдах нормальную точку кипения, а результаты многочисленных работ /75-83/, в которых исследуется поведение отражательной способности при лазерном облучении не всегда являются надешшми и требуют, вообще говоря, дополнительных проверок и подтверждена

Было показано, в частности, что величина отражательной способности при лазерном окислении существенно зависит не толь ко от толщины окисного слоя, но и от температурных градиентов и полупроводниковых свойств окыснах пленок /64,85/, которые ранее не учитывались. Особенности экспериментально наблюдаемого поведения отражательной способности, которые в работе /75/ (см., также § 3.7 из /10/) связывались с процессом плавления, относятся к гораздо более высоким температурам, характерным для режима развитого испарения /80,86/. Возможное влияние перехода типа металл-диэлектрик на поведение отражательной способности, давление отдачи и вынос массы при лазерном воздействии обсуждалось в различной степени в ряде работ /40, 64,78,83,87-92/, однако в целом этот вопрос, как уже отмечалось вше, остается пока открытый. Изменение отражательной способности шает быть связано также с нарастанием мелкомасштабных возмущений на обучаемой поверхности (см,, напр. /37/). Недостаточная изученность процессов, протекающих на облучаемой поверхности, зазддает однозшшо@ восстановление величины Д (Г) по динамике отражательной способности «

Необходимым условием дня применимости тепловой модели испарения является малость внешнего давления по сравнению с давлением насыщенного пара [%) . Б этом случае реализуется такой режим испарения, когда поведшие конденсированной среде можно рассматривать отдельно от газодинамики испаренного вещества, т.е» выражения для потоков масон, импульса и энергии на границе раздела зависят только от температуры облучаемо!! поверхности. Эти выражения имеют такой не вид, как и при испарении в вакуум, когда достигается максимальное значение потока массы и минимальное значение .давления отдачи при заданной температуре поверхности»

Свойства газодинамического разрыва на фронте газового перехода при различных режимах испарения в конденсации исследовались во многих работах /10,93-101/. Последовательное рассмотрение этого вопроса представляет собой достаточно сложную задачу, которую пока еще нельзя считать полностью ршешоН.

В § 2 предлагается простая интерполяционная модель испарительного скачка, которая удобна для проведения приближенных аналитических оценок /99-101/. Близкий подход был сформулирован независимо в работе /36/. Эта модель используется в § 3 для определения по экспериментальным данным /102/ степени иеравновеоности испарительного процесса в условиях лазерного воздействия с образованием сильно поглощающего плазменного слоя*

Пдазш, возникающая при лазерном воздействии на поверхность конденсированных сред в вакууме или вазовой среде, бета предоетш исследования большого числа экспериментальных в теоретических работ /5,10,101-119/, Очевидно, что процесс образования пяазш в таких условиях качественно отлипаете« от оптического пробоя холодаых прозрачна: газов /120/ из-за наличия поглощающего вещества в зоне обяучешм* которое обеспечивает быстрый роет температуры еще на доплазмещоп стадии. По этой причине эрозионная пяазш возникает ярда сравнительно шзшах интенсивное тях излучения«

Из потока испаренного вещества пяазш может распространяться в окрушвшрз газовую среду /121,122/, поскольку для продажешш плазменного йронта, например, в режиме медленного горения /122/ также не требуются те большие интенсивности из-* лучения, которые необходимы для оптического пробоя чистого холодного газа« Такой процесс "низкопорогового пробоя55 газов вблизи облучаемых поверхностей исследовался в работах /124

1.Ж1 / а

Теоретический анализ возникновения пяазш при лазерном испарении в докритической области давлений отдачи представляет собой весьма сжшую задачу® в которой помимо поведения конденсированной среда необходимо учитывать газодинамические и плаз-пенида зе секты совшетво с сштветствущиш взменешяад в дв-нашке аерашовесаого разового перехода. Последовательное решение такой ттт до сих пор не проведено«,

Из результатов § 8 следует, что. образование сильно погло-щаадего плазменного слоя приводит ш существенному изменению степени нерашовесности испарительного процесса, которое необходимо учитывать при теоретическом анализе поведения эрозиенной плазш. В этом же пар графе излагаются результаты экспериментальной работы /128/, в которой бит обнаружена околошрого» вая неустойчивость плазменного факела при сравнительно cmámi плазменном поглощении, Эта неустойчивость набщдаетея в узшм дашзше жнтешишостей язлученвд вблизи порот вошишове-» вия стационарного плазменного факела в штоке шпаренного веще-*» ства, Неустойчивость факела сояровотается колобашки далонш отдачи, отнооятеяьшя шзшшздде которых дает пнфортци© об аффективной ттттшШ толщине плазменного слоя«

Поскольку исшрителшоо давление отдачи р весь,® резко зависит от температуры обучаемой шзеркшети* то швдэ~ ш& jj (tj является одаой из йзвбшкз© чувстштешш хэракте ; « ристик процесса лазерного воздействия. Отметим, что измерение р ft) во время действия пшульеа излучения дает более яощр> пн оршщш, чем регистрация интегрального импульса отдай, которая осуществлялась в ратш работах по лазерному воздействию /10,87,129/. Необходим тлеть в виду также, что при иешяьзова~ нии коротких штвтшшш лазерных импульсов щтеряретащш пове«-детт испарительного давления осложняется вследствие возникновения сильно поглощающего плазменного слоя«

В § 4 представлены результаты зксп-ершшташюго месаедо» ванш далешя р ft/ при испарении металлов под действием шляисейуотш: лазерных импульсов до шрош шзшшновшш плазш /128Д30Д31Д Сравнение зтих данных с теоретичесшш результатами из § I показывает* что поведение р ft/ значительно отдщчается от предсказаний тепловоз вдели. Это отшше мошт быть отменено при учете радиального даад-ш расплава под действием дадвеш© шпарптельшго тшшш* Вытеснение расплава из зона облучения привода не только к взшетаду зффекту возрастания выноса шссн и скорости разрушения образда /I8M3S/» m ж ш шйщшшщ рвш» мтдш&твот давления /131/, G увеличением шшшившсти излучения ш .диаметра облучаемого пятна влияние радшлызош вытеснения расплава на поведение шедязздядояв давления уменьшается. Цри тшж значениях испарительного давления дшйзш© расшша может бить связано с яеддовдшдиедшш жТектом /137/«

Vmsa И вшвэдеиа $<щш линейною оттж шпарительт** го процесса на тте возмущение лазерной штевсшшюош. Как было оттево в работах /71а 9 138/» приближенный аналитический подход* иойльзуший в роботах /16» 19, 72» 73» 139/, оказана-* ется не^хТшшжшз при изучении переходаого процесса из-за трудности» тшшащеи при определении начального условия для линеаризованной задачи об установлении етащошрюго реквдо нешреаш. В $абетх /16» 19, 72» 73» 139/ обсуждение этого вопроса отсутствует, а в качестве начального условия выбирается температурный профиль, который не удовлетворяет иеходаому пред« положению о малости температурного возгдаенщ,

Щдобдая трудность не возникает яри корректной поста-* ноше задачи о линейном отклике испарительного процесса на малое внешнее вэшущедае /Х4СК448/»- Таной подход и подученные с его помощбш результаты налагаются в § § 5^7 » где одновременно с иепарителызш процессом рассматривается также переход твердое тело - жидкость*

Теоретическое исследование реаядав испарительного процесса на гаргшшчаокуш модуляцию тттс&штяв вэщч&шш показывает, что жжШШ одош испарительного .давления имеет максимум в зэвйошлостй от частоты шщшщш* тсвазирезшэзеное поведение функций отклика наиболее отчетливо выражено для сшльно иогяшшшшх сред, у которых подащщюй процесс после skäq-?вшя яздучокш с поетшшшй шшшюсад шоет мщотопшй характер* 7дя линейных сшредсшченшх ^зщтш водабнш сочемб свойств, дос 03восшо, ш шотв йосто» поскольку наличие шесш^ш у частотной хароктерштшш автоматически влечет за собой нещшшЕ-юеть переходного процесса. В рассматриваемом сщгчае переходной процесс монет иметь качественно разлшчшй характер в зависимости от вида начального температурного распределения®

В условиях развитого ношрешя величина давления сад-чи определяется в оешшш шшритешшм мезшншмщя. Изменение вюшоеш! конденсированного вещество в слое, нешсредст-вент дрияегшяшм ж облушшой поверхности, тaase вносит определенный шшд в щвтте отдачи. Роль втт механизма, тш* рой в отсутствии базовых переходов представляет собой обычный йотшкустичоекШ ®$®em§ исследуется в главе Е {§§ 8,9) для различных решмов твэхтт испарения /149-151, 140-145/. отоакустичеекому а^шту и его шсяктсзшаш првлше-щщм ноовящшю большое количество оршшаяьиш работ ш обзоров /3,4ДШ~1Щ/* В стандартной штщше щштт* ется низкочастотная щщшцои шюсшельт слабого светового потока, который нвпрввляется m помшщшцрз ксиденшзрованнрз сроду* Вошшшшше .да отсел кшебшшя темератда облучаемой поверхности вызывают акустические возщтдения в ощщащей газовой ашэсфере, которое регистрируется с пемшщ) шарофош« Эта методика шпшьщшлесь в работах /152,153/ для регштра-щзш плашезш в аеошщгемш веществе* однако sai» способов трудно получить шфоршдаю о дшамш© йазовш превращений при импульсных воздействиях концентрированных потоков энергии, В подобных случаях целесообразно регистрировать акустические возмущения не в окружающем газе» а непосредственно в облучаемом веществе»

Влияние плавления на фотоакустическпй оГТект в конденсированном среде со свободной поверхность!;} раздела рассматривается в §§ 10,11, где показано, в частности, что поведение давления отдачи существенно зависит от величины перегрева твердой фазы /145,159,100/, Эти результаты свидетельствуют о перспективности фотоакустического метода исследования динамики импульсного плавления и могут способствовать выяснению вопроса о перегреве твердой фазы в условиях импульсного воздействия* что пока не удалось с достаточной определенностью сделать другими методами®

В главе 1У излагаются результаты теоретического и эксне~ рименталыюго исследования лазерного испарения при объешом поглощении излучения, когда может возникать значительный перегрев жидкой сазы /IGI-IG6/. Граница применимости тепловой модели в этом случае являются менее определенными, чем при поверхностном поглощении, из-за большой величина максимума температурного профиля в пршоворхностнш слое облучаемого вещества.

Если не учитывать возможное возрастание теплоемкости при увеличении температуры^ то этот максимум форшльно прево<ъ ходит критическую температуру для перехода кидкостъ-нар /88/® Такое приближение используется», тем не менее», в работах /19» 73/ без какого-либо обоснования и обсуждения, хотя предположение о существовании щдкой Газы в докритической области давлений при закритичешшх температурах трудно согласовать с обычными физическими представлениям!]». Влияние околокритичесних сингулярпостей теплогнзическпх параметров на дшаглпку импульсного нагрева вещества излучением исследовалось в работах /167,168/,- однако поведение испарительного давления при этом не рассматривалось«

В § 12 исследуется специальный вариант тепловой шдедш* в котором допускается сильный перегрев метаотабильшй жидшй газе, но температурный максимум не достигает критического значения из-за сингулярного поведения теплоемкости вблизи ешшо-дали /161-163/. В отличие от поверхностного поглощения переходной режим испарения оказывается в этом случае резко немонотонным, а вместо независящего от времени стационарного решма могут возникать слабозатухаюндае нелинейные колебания, Автоколебательный режим можно получить также в модели объемного вскипания /88/, однако его характеристики существенно отличаются от случая поверхностного испарения. Автоколебательные и автовояновые рекимы возникают, как известно, в процессах самой различной природа /105Д28,169-172/. В качестве близких, по не товдеотвешшх примеров здесь можно назвать рекпш распространения фонтов пламени и кристаллизации /170,171/. Заметим в скобкахе что возникновение пространственной и временной упорядоченности в ддассшотшшых систешх является в шс-тошее время весьма ''модной" проблемой, различные аспекты которой обсуждаются на страницах популярных естественно-научных и литературно-художественных журналов /173-175/.

Немонотонное поведение испарительного давления качественно согласуется с результатами экспериментов /164,165/, которые излагаются в § 13. В этом же параграфе .дается краткий обзор теоретических и экспериментальных работ /176-188/, в которых исследовалось воздействие лазерного излучения па объемно яоглощающно среда,. шршстерное проявление неустойчивости метаетабильного состояния перегретой шдшети в устешх лазерного воздейсФ-вия описано в § 14 по результатам работа /186/, в шторой било обнаружено шшщнве перегретой аидкоети при резшм утлеиъ-□шш интенсивности лазерного вздуют* МттшшШ эффешк? тбттшя позднее в работе /185/®

В главе У теоретически иеодещгетея поведение тепловых в т^фощтшчшш возвдшвй на фронте разового перехода в условиях развитого испарения«» При анализе устойчивости йршяа перехода твердое тело - шдкоеть и твердое тело - пар в рам~ нох задачи Степана возникает необходимость учета дополнительной зависимости скорости фазового превращения от кривизны границы раздела /190-194/. Это приводит к появлению зшраатер-ного параметра с размерностью длины® который в задаче плавления - отвердевания определяется отнопешеи нозфйздзента повершостного натяжения н объемной теплоте перехода» Без учета явной зависимости динамики газового перехода от кривизны границе раздела, как это делается» нанршер, в работах /195,196/, получается неноррентнш результат: неограниченное возрастание инкремента дня даротноволновЕк возщиший.

Поведение тепдовнх возщщений на фронте оублишции рас-сш$ршшось в рйдс работ /43, 196-200/ на основе однофазных вариантов задачи Стефана« При етом в работе /196/ не учитывалась явная зависимость старости перехода от кривизны границы раздела., что соответствует значению рь = С? , и температура перехода предполагалась постоянной. Фшше прзбшзжеш'зя являются слшшш грубнет даже для качественного описания аоротко» волновых возщдашй* В работах /197-2Ш/ учитывалось изменеше температуры перехода » а для характерной дана в /198200/, как и в задаче шшзяедая /190-193/, использовалось от-ншеше шэффоцнента. П0верх!1о§шог0 натшешя к объшшй те&-доте нереиде. В случае сублимации это отношение до ворядну величины соответствует швтштщ расстоянию в твердой фазе* В § 15 ношзано /194/» что такой подход тажке является некорректным« /йражтершя длина в задаче об устойчивости фонта сублимаций определяется не межатомным расстояшзш в твердой теле, а величиной, которая значительно цревшает этот размер и связана в длиной свободного пробега в газовой фазе*

Необходимо иметь в виду при этом, что результаты» полученные в задаче об устойчивости фронта сублишщш, нельзя автоштичесш переносить на сздтй шпарящейся шздаости, шк это необоснованно делается в публикациях /43, 196-204/. Поведение возмещений на фронте перехода щдавть пар существенно связано, в частности, е возмущениями давления /805-212/, что не позволяет рассматривать тепловые возадешя отдельно от гвдродаашчеснах эффектов*

В § 16 анализируется различие в поведении воздршэЗ щ фронтах развитого испарения и медленного горения /213-814/, которое соответствует решщг исдаренш с дозвуковой скоростью течения паров. Показано, что результаты недавней работы /215/ по устойчивости плоского Фронта испарения относятся фактически тлысо к режиму дозвукового течения паров, поскольку при развитом иеварейш необходимо учитывать второе Фундаменталь<*> нее решение для возвдений .давления и формулировать дополните льное граничное условие на Фронте перехода /211/»

Поведение повершостй шщкости в усложшс взвитого испарения рассматривается в § § 17, 18 /207-^2/» Оодчвао и исследовано дисперсионное уравнение для шш возмущений на поверхности испаряющейся жидкости. Установлены пределы применимости сублимационного приближения, в котором se учитываются гидродинамические э№екты на Фронте Фазового перехода. Показано, что это приближение необоснованно использовалось в ряде работ далеко за пределами его применимости, Из полученных при этом результатов следует такжев что влияние испарительного .давления оказывается сильнее торшкапиялярного эФ'бе-кта при значительно меньших интенсивноетях, чем это предполагалось в работе /216/, где рассматривались возмущения поверхности кидкости только за счет термокапиллярхюго эффекта,

В последнее время внешнею многих исследователей было привлечено в образованию мелкомасштабных регулярных структур на поверхности различных поглощающих сред при воздействии поляризованного монохроматического излучения /29-40, 212/, о чем уже упоминалось выов, В отличие от неустойчивостей, которые рассматривались в 15-18, процесс образования таких структур тесно связан с эффектами интерференции доеду пада-ншдам и рассеянным излучением подобно шяу, как это имеет место в щггих процессах вынужденного рассеяния /217, 218/, Необходимо отметить тэкео, что вынужденное рассеяние света на поверхности прозрачных и поглощающих сред за счет понцеро-моторных сил обсущалоеь теоретически в работах /219-221/, однако такой механизм дает относительно малые инкременты для роста амплитуды капиллярных волн, и его экспериментальные проявления пока не обнаружены. Роль различных механизмов в процессе образования периодических структур обсуждается в § 19 /35, 212/.,

В лшшйном приближении мелкомасштабные воадущошш на поверхности раздела не дают вклада в усредненную по пятну облучения величину давления отдачи«, Влияние таких возвяущещзй на поведение испарительного .давления может проявляться на нелинейной стадии» если при этом заметно изменится характер теплоперенооа в объеме жидком фазы* Дм качественного описания вариации испарительного давленая за счет этого эффекта в § 20 используется тепловая модель с зависящей от времени эффективной температуропроводность© жидкой фазы /71/. В отличие от случая объемного подогрева испаряющейся жидкости /205/ при поверхностном нагреве достаточно быстрое увеличение эффективной температуропроводнооти приводит к падению испарительного давления«

Диссертационные материалы опубликованы в 44 работах, которые выделены подчеркиванием в общем списке литературы в конце .диссертации» Основные результаты .диссертации достаточно полно отражены в 25 публикациях», отмоченных двойным подчеркиванием.

Дополнительные материалы к Гл.- о, содержащие, в частности, численного анализа жисп-рснснгжго уравнения для :поз--у <\„ ' на испаряющееся поверхности, вынесены в Приложение* Полный текст дисснотации вместе с Приложение1- опубликован в открыто:- печати: Труды ШжАН5 т. 1?, с. 3-107, иосква,"ПаукаV 1988г., тираж 18С0 экз.