Физические процессы в лазерных эрозионных факелах металлических мишеней при различных плотностях мощности лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

' й 1 V о э ад

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В. И. ЛЕНИНА

На правах рукописи

БЫК Анатолий Петрович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛАЗЕРНЫХ. ЭРОЗИрН'НЫХ ФАКЕЛАХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПЛОТНОСТЯХ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.04 — физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск — 1991

Работа выполнена в НИИ прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко при Белорусском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете имени В. И. Ленина.

Научные руководители:

доктор технических ,наук, член-корреспондент АН БССР Чернявский А. Ф.

кандидат физико-математических наук, старший научный .сотрудник -Гончаров В. К.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Минько Л. Я.

кандидат физико-математических наук Отливанчик Е. А.

Ведущая организация:

Всесоюзный научный центр «ГОИ им. С. И. Вавилова»

Защита состоится 27 сентября 1991 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 056.03.09 при Белгосуни-верситете им. В. И. Ленина (220080, г. Минск, Ленинский проспект, 4, Университетский городок).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгос-университета им. В. И. Ленина.

Автореферат разослан <¿3 а/'грсГа

Ученый секретарь специализированного Совета, Доцент

ДПАНАСОВИЧ и. В.

чтптй

' 1 шцай шжтшш. рлвдаы

Ав/!' "<к_ТУпльность проблемы. Создекке 'надежных лазеров и .успех:! в ^ йдодс цованиях по взаимодействии лазерного излучения с веществом приводят как к совершенствовать .уге существующих, так и „появлении новях технологий. Большое распространение для .лазерной обработки металлов получили лазеры на основе рабочих тел, активированных иошяи Ъ/Мг* ^ С точки зрения технологического воздействия лазерного излучения на металлы наиболее подходящим является излучение с олбтнсетыз модности-, находящейся .в диапазоне 10^*10^ Вт/см . Как показали эксперименты, при 'бездействии на металлы лазерного излучения с плотностью мощности -10^*16® Вт/см^ образующийся эрозионный факел состоит кз паров, шазт и частиц ямдко-яапельной фазы материала метени. В этих экспериментах использовались способы ^йгистрацяи излучения с поыоцьо фотоприемников и запоминающих й'сцшиографоз» что кз позволило проводить исследования в широком ди£ПЕ':зке изменений условий эксперимента. Время обработки даш&х значительно превосходит время подготовки и проведения эксперимента-, низка точность фиксации осциллограмм и велика вероятность шибки при ручном перзносе данных с запоминающих осциллогрвфоз через фотопленку в электронцуэ вычислительную иазину дая посгедущих. расчетсз. Однако для уточнения влияния частиц .'.татер'лшга шсгега на-проховденке воздействующего излучения, Построения более полной нлазцодинамяческой картины и оптимизации режимов лазерной обработки материалов следует иметь зксперимен-. тальные данные по пирокоыу раду металлов и в широком диапазоне плотностей мощности лазерного излучения. Эффективное использование лазеров в промышленности, науке возможно лишь на базе глубокого понимания физических процессов взаимодействия лазерного, излучения с веществом.

Целью работы является определение механизма влияния частиц хндко'капельной фазы материала металлических мшеней с различны;.« геплофизичесхида свойствами на прохождение воздействующего кзлу-?ения герез эрозионный факел и динамику плазыообразования в зави-:имости от плотности мощности плазмообразуш,ег<з неодимового лазе-за. Разработка и создание автоматизированной системы регистрации I обработки оптических сигналов шшшсенуадного диапазона.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

I. На оснований экспериментальных данных по измерению опти-

ческих харавтерисг.;н эрозионных факелоз ызтелйоэ с различными тепяофизическики свойствами и в широко» диапазоне изменения плотности мощности воздействующего излучения показано, что для каждого /галла существует сбой диапазон изменения плотности мощности излуч^ия неодимовего лазера» при котором основные потери излучения в эрозишно» факеле определяется: частицами материала мишени.

2._ Установлены обола закономерности й отличия продеееа формирования и развитая эрозионного факела при различных плотностях мощности лазера для большой группа металлов!

- для легкоплавких металлов с самого начала воздействия ла- . зерного излучения за счет объемного парообразования в эрозионный факел поступают мелкие частицы,' к концу лазерного импульса происходит смена механизма образования частиц и в фахед поступают за счет гидродинамического иехашэыа более крупные частицы;

- качественно картина образованна частиц аналогична и у металлов со средней температурой плавления» однако, поступление

»частиц материала милени происходит с некоторой временной задержкой и при большх плотностях моашостн воздействующего излучения;

- образование эрозионного факела тугоплавких металлов начинается с поступления продуктов разрушения сильнопоглощающих, но слабосветящихся; затеи происходит резкое увеличение параметров плазмы, которая с течением времени охлаждается поступающими в эрозионный ф&кел частицами материала шшени, образующимися за счет объемного парообразования.

3. lia основании результатов лазерного зондирования и спектроскопических измерений параметров плазмы эрозионного факела по« казано существование при определенных плотностях моздости воз» действующего излучения вспыаки поглощения, Ддя каждого иссдедо» ванного металла определено минимальное значение плотности мощнд» сти яеодимового лазере, приводящее к низкопороговому пробою.

4. Определены характер изменения во времени диаметра частиц в эрозионном факеле никелевой ищени и зависимость диаметра частиц от гш от ноет д мощности воздействующего излучения, Установлено, что в условиях проводимого эксперимента диаметр частиц ыал

( (¿«X ) и для расчетов ыотсно использовать формулы Рялея,

5. Похааано, что первоначальная окисная пленка металличес^-ксЯ ичаеки оказывает существенное влияние на характер формировав

ния эрозионного факела и разрушение мишени в течение всего времени воздействия лазерного излучения:

а) разрушение кшенл происходит при меньших уровнях падающего излучения и начинается раньсз;

б) при наличии окисной пленки в эрозионный факел поступают практически с самого начала воздействия относительно крупные частицы пленки, которые затем докспаряются.

Практическая ценность.

I. Экспериментально определены диапазоны плотностей мощности воздействующего лазерного излучения для различных металлов, при которых частицы материала мишени в эрозионном факеле наиболее сильно влияют на транспортировку излучения неодимового лазера к мишени. Данные результаты важны для построения теоретических моделей плазмодкгаиической картины, а так как режиад облучения в данной работе близки к пршеняодиыся технологически, то и для оптимизации режимов лазерной обработки материалов.

■ 2. Установлено, для теоретических исследований и практических применений лазерного воздействия на металлические ¡¿ише-ни необходимо учитывать явление низкопорогсвого пробои, приводящее! к временному сильному экранировании плазмой и чартшдаи материала кизеш: воздействующего излучения.

3. Dpi лазерной обработке металлов следует учитывать, что ■наличие, первоначальной окисной пленки изменяет характер разрушения мшаена на протяжении всего времени воздействия плазмообразу-ющего лазера и разрушение происходит при меньшое плотностях мощности.

4. Самостоятельное значение имеет созданная гаогоканальиая автоматизи рованная скстека регистрации и обработки оптических сигналов киллисекуцдного диапазона, которая обеспечивает существенное повышение информативности исследований по взаимодействии лазерного излучения с ве^осгэоу.

Результаты экспериментальных исследований по взакаодействию излучения неодимового лазера укоренной интенсивности с кэгадли-чееккш мишенями использованы в ®3 АН СССР. *

Исследования проводились в рамках плановой геюбюдг.-зтной НИР, вшолняемой лабораторией физики и техники плазмы и лабораторией специализированных вычислительных систем НИИ прикладных физических проблем им. А.Н.Севченко при Белорусской государственном yvs~

эерсите--1 тст В.ИДенина по постановлению Госкомитета по науке и технике (гос. per. Jé 01860022,185), а также в рамках целевой республиканской комплексной научно-технической программы "Интенсификация" (Автоматизация научного эксперимента) всесоюзной комплексной программы 0.80,03 (задание Q6.30.A "Разработать принципы построения и комплекс аппаратуры дая автоматизации исследований по взаимодействию лазерного излучения о веществом").

На защиту выносятся следующие положения:

1. Существует диапазон плотности мощности неодимового лазера, характерный для каждого исследованного металла,, внутри кото. poro определяющую роль на прохождение воздействующего излучения .

через эрозионный факел играют частицы материала кипени, образуо-щиеся за .счет объемного парообразования.

2. При достижении плотности монзности неодимового лазера верхней границы указанного диапазона возникает низкопороговый плазменный пробой (вспышка поглощения), инициируемый частицами материала мишени. При дальнейшем увеличении плотности модности ■лазера реиающус роль в экранировке воздействующего излучения играет плазма эрозионного факела.

3. Диаметр частиц жидкокапельной фазы зависит от плотности мощности плазмообразующего лазера. При плотностях мощности 1,644,8 Шт/см^ диаметр частиц в эрозионном факеле никелевой мишени не превышает 0,1 мкы. При увеличении плотности мощности воздействующего излучения и в процессе развития вепшки поглощения диаметр частиц уменьшается.

4. Наличие первоначальной окиекой пленки на поверхности мишени изменяет плазмодинамическу» картину в эрозионном факеле на. протяжении всего времени воздейгтвия неодимового лазера., В_ коментл удаления пленки в факел поступав? более крупные частицы...При.на=~ личии пленки разрушение мишени происходит, боне« щгсенеи&но..

5. Проведение исследований в широком, даападсизе--изменений плотности мощности воздействующего излучения ддд.-большой,группы металлов подтвердило практическую необходимость соэдбния автоматизированной систем», позволяющей регистрировать и обрабатывать больаое количество экспериментальных данных по каждому импульсу пленкообразующего лазера,. '

Достоверность приводимых в диссертации результатов и выводов подтьердаютея:

С

1. Совпадением основных результатов по зондированию эрозионных факелов некоторых металлов, полученных при регистрации и обработке традиционным способом и с ломощьв автоматизированной систеш дайной работы.

2. Спектроскопические исследования лазерной плазмы при воз-цействии лазерного излучения умеренной интенсивности на медную нишень, полученные результаты зависимости температуры, давления

1 плотности плазмы вдаль факела в различные моменты времени от зачала импульса генерации неодимового лазера показывают сущест-зование максимумов температуры и давления плазвд здоль факела, {то хорошо согласуется с результатами, полученньки в данной ра->оте при лазерном зондировании эрозионного факела металлических паяеней.

Апробация работа. 1£атериали диссертационной работы доклады-(ались. и обсувдались на П университетском семинаре "Применение :азерной и оптико-электронной техники з.народном хозяйстве" (г. !инск, 1985 г.); научном семинаре Физического института нм.Д.Н. Лебедева АН СССР (г. Москва, 1935 г.); УП Всесоюзной конференции Планирование и автоматизация эксперимента а научных исследсва-иях" (г." Ленинград, ¿¿55 г.); УШ Всессэзной конференции "Взяи-одействие оптического излучения с веществом" {г. Ленинград, 938 г.); Ш Всесоюзном совещании по физика низкоте?.;пзратурксй яазш с когэденсированной фазой" (г. Одесса, 1286 г.); Ш Всессйэ-ой конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (г.Па-ура, 1939 г.). .

Публикации. По тематике, диссертаций опубликовано два пре-ринта, пять тезисов докладов, четыре статьи.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из четырех :аз, введения, выводов, списка литература, содержащего 98 наи-гнований. Объем работы страниц, из них 31 страница рисун-

ЭВ. ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении к диссертации обоснована актуальность исследова-;й взаимодействия излучения неодимового лазера с ¡шпенями из ме-ллов с различньвли тепяофизическими свойствами и в широком диа-зоне плотности мощности.' Показаны трудности регистрации оптл-

ских характеристик эрозионного факела . традиционными осцил-

?

лографическиш методами, обосновывается необходимость создания автоматизированной системы исследования взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности с веществом. Изложены основные результат- проведенных исследований, показана их научная новизна, практическая зъ. .имость, указаны основные положения, выносимые ' на защиту. ,

Первая глава является обзором литературы, содержит постановку задачи, в ней сформулированы требования к автоматизации эксперимента и приводится описание созданного комплекса измерения параметров, эрозионных факелов. ,

При воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности . на металлы с течением времени в зоне воздействия возникает эрозионная лунка. При острой фокусировке лазерного излучения испарение металла вначале происходит в большой телесный угол,. а затем по мере образования глубокой лунки формируется узкая струн. С течением времени лунка растет не' только в глубину, но и в ширину, и ее конечный диаметр может значительно превышать диаметр светового пятна. В формировании лунки помимо процесса испарения, участвует ряд вторичных процессов: нагрев стенок образующимися внутри лунки паром и рассеянной радиацией с последующим их плавлением и гидродинамическим размывом истекающим газовым потоком. Ранее в экспериментах было показано, что продукты разрушения состоят из паров, плазкы и жидких капель материала мишени. Взлетая навстречу лазерному лучу, продукты разрушения могут взаимодействовать с ним, поглощая и рассеивая излучение- Образование жидких капель за счет гидродинамического иежшкзма .-происходит,, ш соощю-ном, в конце облучения- На тзроцвтда (образования нидких ¡капель териала мишени еказшакгЕя ¿ряд .факторов.: наличке :прик£еш1н щь-сутствие в металле тгуаирькав таза, готовый »режим генерации дазе-. ра, процесс аэдвдадвацад .и другие. Различные механизмы образования частиц приводят ж -об^аоваюш э эрозионном факеле частиц разного дпеиитра* что может существенно ;влияза на взаимодействие лазер-, кого кзлучения с продуктам эрозии* Важным является также вопрос;; -взаимодействия лазерного излучения с нейтральными, парами.и•.плаз-, «ой. Уха в первых экспериментальных работах; качественно было по-., кьзано, что продукты разрушенад пра-воздействий,-иэлу^едая плртно-ст№ можности Ш(г разлтть-иеящ{т

Одбивж .лазерным доцраннек.. Наиболее имфоркатиснрй,

и/

является методика исследования эрозионных факелов с одновременным измерением коэффициентов пропускания, рассеяния и поглощения зспомогательнсго излучения зондирующего лазера и спектроскопичес-сого контроля характеристик плазмы в области зондирования. Зондирование на длине водны плозиообразующего лазера позволяет результаты измерений непосредственно перенести на взаимодействие излу-гения пдазмообразущего лазера с эрозионным факелом. Однако, из-а больших помех рассеянного излучения гиазмообразующего лазера оличественныэ измерения зондирующего излучения затруднены. Зонирование на других длинах ьолн позволяет с помощью свотофильт-ов существенно снизить помехи. Поэто;ду для. зондирования был выб-ан рубиновый лазер, у которого дайна волны ( Я = 0,7 мкм) не ильно отличается от длины волны, неодимового лазера { Л = I мю.:), э крайней маре в отом диапазоне оптические характеристики метал-зв изменяются слабо. С одной стороны, использование в качестве радирующего излучения импульсов рубинового лазера позволяет до-гагочно надежно огстротьсяот рассеянного.излучения плазмообра-тщего неодимового лазера, с другой стороны, позволяет испольоо-1ть результаты измерений излучения рубинового лазера ка взаимо-■.йствие с продуктами арозик неодимового лазера. Недостатком г.с-шьзования-зондирующего излучения рубинового лазера'в. экспери-нтах, описанных в обзоре,"является трудоемкость обработки сс-ллограмм с наличием сотен, экспериментальных точек при каждом пульсе плазмообразущег® лазера. Поэтому количественные измере-я проводились в узком диапазоне изменения плотности мощности -азмообразущего лазера..

Для проведешь исследований оптических характеристик эрози-чых факелов методом лазерного зондирования создан автоматизиро-шый комплекс. На мишень, помещенную в интегрирующую сферу, па-;т' излучение плазмообразущего неодимового лазера, работающего >ежиме свободной генерации и позволяющего получать импульсы об-I энергией до 2,5 кДя длительностью ~ 10~3 с. Характер излуче-г от импульса к импульсу существенно не изменялся. Излучение димсвого лазера фокусировалось в пятно диаметром 2-7,5 мм, фо-линэн находился за мишенью. Образутоцийся.эрозиошшй факел дировался излучением вспомогательного рубинового лазера, рабочего в режиме излучения , регулярных импульсов с общей длитеяь-гью ~ 1,5-с. Излучение рубинового лазера представляет

собой иг," имдульсов колркояообразной' формы с типичной длительностью на полувь.-ле 10"® с и интервалом мевду импульсами 3-20 мкс. Диаметр зондирующего светового пучка составляет 1,5 км, зондирование эрозионного факела производилось перпендикулярно оси факела на расстоянии 1,5 мы от поверхности мишени.. Таким образом, в эксперименте одновременно измерялись интенсивность падающего (зондирующего) излучения рубинового лазера,, через, отверстие в интегрирующей сфере-интенсивность прошедаего излучения рубинового лазера и с помощью интегрирующей, сферы-кнтенсивность . всего рассеянного эрозионным факелом излучения рубинового лазера. Плотность мощности зондирующего излучения, не превышала 10лЗт/сы* чтобы не возмущать эрозионный факел.* Временные, зависимости- измеряемых величин фиксировались с й'оысхцьв разработанного, многоканального регистратора, работающего- на лиши с- мини-ЭВМ. Еегистратор' производит аналого-цифровое преобразование сигналов, поступающих с 14-10 датчиков в 8-разрядный цифровой код, минимальный период дискретизации входного аналогового сигнала 100 не.. Объем памяти каждого канала 8192 слова, длительность регистрации 0,8*6,4 ыс. Для созданной автоматизированной системы изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом создано развернутое математическое обеспечение, включающее в себя: сервисные программы, модули предобработки, обработки, вывода результатов в удобной для экспериментатора форме, программы архивирования.

Для излучения зондирующего лазера, падающего внутрь интегрирующей сферы* справедливо: :

Коэффициенты пропускания Хлг(^) .рассеяния л>АС ({) и поглощения К„огЛ (¿) зондирующего излучения определяется соотноше-кижи:

(*) -1

(I)

где и ? — ■ коэффициенты передачи трактоз регистрации про-

шедшей и рассеянной компоненты, I"1! (I) , ТР1ГЦ)

Хгдс(.т) " зарегистрированные фотоэлементами величины, пропорциональные интенсивноеткм падавщего, прошедшего и рассеянного излучения, 1П0ГЛ ('1) — интенсивность поглощенной составляющей зондирующего излу?:ггал. .Таким образом, измерив КПР ({) и КРАС {{}, удастся получить К1ТСГЛ /£) - Измерительные тракты предварительно калибровались. Погрешность измерения коэффициентов нз превышала

При диаметре пятна облучения 7,5 мм глубина лунки из превышала 0,3 км, что обеспечивало разлет.продуктов эрозии, близкий к одномерному.

Во второй главе подробно рассмотрены результата лазерного зовдирозания эрозионного факела шззекя .из .цигжа и спектроскопические измерения параметров плаза эрсоиишого йвкела з зоне зондирования. ' ,

Анализ .спектра исследуеиой ачяэш показал н&.си«$гз линий од-юкратно зоряжешазс иоггез и сешобрачгяшх агошгж линий цапка га фоне интенсивногосплошного ссз1:?ра.. Шгсзрелпт температур; агазш проводились кз сгясно абеодотяоЯ игегкеизяозти б т/лкешу-;е шшообращзкиой лиш:.. :2л 11 4^01 им, До псяуг/ек&ш знаниям тёкпергяура й измерена«. кякюшюефш сязсзкгго, с венгра близи указашой линии-рассчяитвалзсь. исицгитргцпя злектрвиоз вагш. (по фор&улам-дширекомбинацвешсто и тормозного кэлуаднля .-гагаитаассическон. лрийяияении). ЯаЦдеяш» значения гежгртуры ..концентрации-электронов использовались для оцзиг» итз-

оглощекгш:-.в сплошном.спектре ялазш.на дешнз вслш гешрзцхк оэдирущего рубинового лазера. Для определения разкзра шшодейстзия излучения рубинового лазера с зрозпсктск ;".т,:атс:! ж расчета коэффициента поглощения использовалась скорссснзд' по-здровая съемка эрозионного факела.

На основании результатов зондирования лазерных «селов и спектроскопических измерений параметров шгагк! цишяжеП теки в зоне зондирования получена качественная загясгаость оя-¡ческиу. характеристик эрозионного факела от ялотностй йсенйстя одимового лазера. При малых плотностях мощности на- протяжения новного времени воздействия продукта разрешения преэрзсы дяя ндирукщего излучения и только при некоторой гражетоЯ яге&гиости щности к концу ютульса неодкмового лазера зо.тшятсл потери на

час л сериала дааеш. При увеличении плотности мощности

воздействую^ лазерного излучения задержка между появлением частиц и началом воздействия на мишень"уменьшается и при определенной плотности мощности рассеяние и поглощение зондирующего излучения обнаруживаются с самого начала воздействия, только в меньшей степени, чем в конце импульса. Как показали исследования в течение основного времени воздействия в факел поступают мелкие гадкие капли за счет объемного парообразования, к концу воздействующего лазерного импульса из зоны воздействия выбрасываются более крупные капли за счет гидродинамического механизма. В данной работе рассматриваются вопросы взаимодействия лазерного излу чения с частицами материала мишени, образующимися за счет объемного парообразования.' С дальнейшим увеличением плотности мощности неодимового лазера число частиц материала шеш, образующихся за счет объемного парообразования,увеличивается, что приводит к увеличению потерь зондирующего излучения за счет поглощения и рассеяния. Коэффициенты рассеяния и поглощения изменяются достаточно плавно. Однако, при определенной плотности мощности на кри вой коэффициента поглощения появляются резкие колебания с длительность» л- 40-5-50 мкс. С увеличением плотности мощности воздеЕ ствущего импульса происходит.дальнейшее увеличение числа выбросов на кривой поглощения при относительном увеличении потерь зоя дирутацего излучения за счет поглощения, а коэффициент. рассеяния даже несколько снижается. Анализ поглощения плазмы, полученного на основе спектроскопических измерений "температуры и концентрации электронов и поглощения эрозионного факела, полученного в результате 'лазерного зондирования, показал существование низкопс рогового пробоя {вспышки поглощения). При этом поглощение опреде лаотся, в основном, плазмой.■ Нидкокапельные частицы материала ш. шени. двигаясь в поле излучения неодимового лазера, поглощают его и, испаряясь, создает вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров, что облегчает процесс вспьзпкп поглощения. "

При дальнейшем увеличении плотности мощности излучения не-оджопого лазера частица жидкокапельной фазы на. расстоянии зондирования. (1,5 мм) могут полностьп испаряться, а коэффициент рас сеяния зондирующего излучения уменьшается до нуля. Однако, до полного ^ачезг.овеннк рассеянной компоненты при зондировании эуо-

зионного факела цинковой ¡.теш энергия лучения неодцмового лазера в проводимых экспериментах .оказалась недостаточной. Подтверждение данной закономерности было получено в экспериментах на свинцовых мишенях, так как дйя свинца пороговые плотности мощности оказались шсг.е. •

Третья глава посвящена исследованию оптических характеристик эрозионных факелов металлов с различными теплофизическими свойствами при различных плотностях мощности неодшового; лазера. Все исследованные в работе металлы по температуре плавления можно условно разбить на три группы., , .

При исследовании лазерных эрозионных факелов цинка, свинца, кадмия, магния и висмута показано, что качественная картина поведения поглощения и рассеяния на продуктах эрозии аналогична. Отличия наблюдаются только количественные.

Появление рассеяния ¡^поглощения в эрозионных' факелах более_ тугоплавких металлов (алюминия, меди, никеля) происходит с некоторой задержкой и при больших плотностях мощности, В остальном .картина качественно похода на образование продуктов эрозии у мишеней из легкоплавких металлов.

На примере алюминиевой мишени показано, что результаты зондирования эрозионных факелов сопоставимы при размерах облучаемых на мишенях пятен, превышающих 5 мм, При меньших пятнах наряду с частицами, образующимися за счет объемного парообразования в эрозионный факел поступает значительное количество крупных частиц, образующихся за счет гидродинамического механизма.

Исследование эрозионных факелов тугоплавких металлов (титана, вольфрама, молибдена, циркония) показало, что в этом случае основные потер;! зондирующего излучения определяются поглощением продуктами эрозии, а рассеяние лежит за пределами чувствительности измерительной системы.(О,

Показано, что при воздействии лазерного излучения на мхпенн из тугоплавких металлов у. поверхности мишени сначала появляется поглощающий, но слабссветпщийся слой. Задержка ыеяду временем появления этого слоя и началом заметного свечения продуктов эрозии умемьшлется. с увеличением энергии воздействующего излучения.

Спектроскопические исследования эрозионного факела титана совместно с методом лазерного зондирования показали, что на г.?;— воиачольном поглощающем, но елабосьетящемся слое происходят

бой и резкое возрастание "параметров плазмы. Потери излучения в это время определяются плазмой. -Через -200 икс в эрозионный факел начинает поступать мелкие 'Частицы; материала. ыииени, образующиеся за счет объемного парообразования, Которые уменьшают температуру плазмы и концентрацию электронйви -определяют потери зондирующего излучения," Поглощение в начале "воздействия можно объяснить нем, что у исследуемых металлов "в приповерхностной зоне из-за ж высокой температуры кипегмя создаются благоприятные условия для поглощения излучения в непрерывное спектре отрицательных ионов, так как отрицательные коны-в данном случае образуются за счет захвата свободны): влектроноа, эффективно поставляемых механизмом 'гермоэыисеии.

Условия, е^ествующае-в-приповерхностной зоне мишени в начале зоздеГ--твия, благоприятны ¿также и для образования кластеров, которые могу? достаточно-сильно-поглощать з оптическом диапазоне.

Дня всех йсадедуемых ызтшшов определен диапазон плотности кощности_ излучения воздействующего неодкмового лазера, -в котором потери излучения в эрозионном факеле определяются поглощением и ' рассеянием'на частицах материала мишени,' образующихся за счет объемного парообразования Су цинка-- 0,9*2,65; свинца - 0,34-0,9; -тездггия - 0,?-5-1,9; .иагния 0,7*2»2;'висмута - 0,25*2,15; слши-•нив - :£'лгседя - -1,65-3,3; ыодк - 4,0*12,0; "титана-- •

0,7-8-1,1;. вольфрама - 2,6*4,2;'циркония "-'2,6; молибдена 1,7+4,3 Шт/см2).. Мт иендйюс. плотностях мощности продукты 'эрозии прозрачны. При бадьшк - реализуйся шшзиенний пробой к-'-потери излучения в. сяучаз, в озновиои, определяется поглоще^ шеи-а плазме.' • - ' ,

■ В четвертой, гдавп рагсызЕрзно ваяешшю размера "частиц эрозионного факела никелевой ккззнл-в «©пение воздействия лазерного иьаульса и в зависимости 02? плотности мощности плазмообразущего лазера, а также вякяниз состояния поверхности мишенк на характер образования частиц иудаоаея-гяьиой фазы.. -Для малых частиц { с£ Л > справедливы формулы Рэлея:

ЫЖ - ■

-Урле - 3 ' I

т / »**-/) Опогл - -ц* х ^и^г/,

где с1 - диаметр часдащ,. - дана волны зондирующего излучения,, р*с и б.лоял -- безразмерные коэффициенты, рассеяния и поглощения, отнесенные,- к. площади поперечного, сечения- частицы. Комплексный показатель, преломления * т., связан с показателе!-! преломления -г и. показателем поглощения; X соотношением

/С* - п- С % ' ' ,

Из формул (3) получаем

® и/ ^ * . ,/.' • •

Соотношение (4) показывает, что при, уменьшении размеров частиц.потери излучения на рассеяние'уменьшаются по сравнению с потерши-на поглощение и для очень, малых частиц поглощение * есди оно. вообще имеет место» становится главным аффектом*

Для больших частиц ( /¿>>Л ) соотнесение между рассеянием и поглощением зависит лиаь .от физической природы вещества частиц •и может быть оценено по формуле

Формула (5) показывает, что для больших металлических час« тиц <3РЛС > Опогл • Следовательно, по соотношения), коэффициентов рассеяния и поглощения качественно можно судить о характерных размерах частиц. .

Оценка размеров частиц по формулам Рэлея связана с существенным ограничением на размеры частиц С с(« Л ), поэтому рас-счет диаметра частиц эрозионного факела никелевой мишени выпол-' нялся, используя теорию Лява-1.!и.

Показатель рассеяния и показатель ослабления £Г<>

оптического излучения дисперсной средой определялись путем численного интегрирования соответствующих монодисперсных характеристик по формулам: •

Оо= -------_--(0)

/<*К Л А , . > м . (

ь

о:

где ¿4- - наибольший возможный размер рассеиваю-щ^х частиц,

и Кр(с(г И/ %} А)*- фактора эффективности ослаб-легош и рассеяния, которое находились на основе теории Лява-йи,

У5 (с() - функция распределения частиц яо размерам» Расчета проводились для модели полидйеперскей расееивьккцзй среда, характеризуемой г£{.2/:а-распредслешем частиц по размера Нала:

где Су- - объемная нощзйтрация расееиватро: часетц, -

наиболее вероятны^ разйер "частиц, р ~ - параметр .ширины рас- -пределенйя, а . Г(х) - .гамма-фунгщия от Ло рассчитаншы

значение показателей рассеянна 6р(е!) и поглощений ,

где (с1) - Щ, (с() ^ г ^ строилась теоретическая зависимость б'в. /<ГП ¿У17"' Р&злиЧкье значений параметра (3, 10, 100)-. Кривые для различных -параметров /5 практически совпадают при • изменении -диаметра Частиц до ^0,1 ш, хотя кривая с ,/е е.' ='3 построена .для,-лЪйиДиШерсшгО, распределения частиц, а кривая с ^ = -100, соО'гаетстгует^ по сЭДзейзу, монодисперснсыу распределению 'чайгйЦч: ОпреДеиив'!,отнше1ше Фхсперимеитаяьно измеренных коэффициентов рассеяния й поглощения дйя эрозионного факела- никелевой мишени • используя для .этих отношений теоретические кривые ,. -бшгд получены завкскагосйи диаметров частиц шдкой фазы в течение времени генерации кеодимового лазера при раззнгайьк йлотное-"тях мощности-. Показано, что в условиях эксперимента при плотностях мощности порядка 1*10 КЗт/сь'Г диаметр "часгиц составляет 0,02-0,07 тал. Следовательно, 'в этом случае маяно да учитывать распределение частиц по размерам, а использовать эффективный диаметр,и,так как выполняется условие. £ Л. = 0,694 шел, оценку размеров частиц можно производить по более простым формулам Рэлея. .

Анализ полученных временных зависимостей диаметра частиц и коэффициентов рассеяния и поглощения показал, что в момент резкого увеличения коэффициента поглощения в эрозионном факеле в зоне

зондирования размеры частиц уменьшаются, что полностью, подтверждает вывод, полученный во второй гладе 0 доиспарекии. частиц в момент вспышки поглощения-■ Двигаясь навстречу лазерному лучу частицы доиспаряются, та диаметр уменьшается, они создает вокруг себя более плотную среду, что существенно облегчает процесс образования плазменной вспышки, характеризующейся резким увеличением коэффициента поглощения. Б. процессе развития вспышки поглощения условия для ее существования (достаточная локальная плотность мощности воздействующего излучения, необходимая плотность плазмы, уменьшающаяся из-за газодинамического разлета) исчезают. Коэффициент поглощения- уменьшается, .доля воздействующего излучения, проникающего'к мишени, возрастает, слой разогретого металла увеличивается и в факел начинает■поступать большее число частиц. Поскольку процесс образования плазменного пробоя -процесс статистический, то-спустя некоторое время после ого исчезновения при наличии достаточной плотности мощности воздействующего излучения он: опять возникает и вышеописанный процесс по-рторяется. '

С увеличением плотности мощности воздействующего излучения размеры частиц уменьшаются,, а. появляется они в эрозионной факеле раньие, так как в зоне облучения быстрое и в более тонком слое наступает .перегрев расплавленного металла и, как следствие этого, за -тгчазг. ойв^много парообразования в эрозионный факел поступают фоарй;мелкие, частицы., С.другой стороны, частицы, двигаясь навст-

дазер^овдуизлучению, интенсивнее' доиспаряются- при больших пл&тця&уяэе;;мощности и могут иметь меныций размер, когда попадут ввзону..зондирования. Увеличение размеров частиц-с. течением времени..связано с прогревом за счет теалопррэодаости более толстого слоя металла с течением времени^ В_ итоге к, концу импульса воздействующего излучения наряду с процессом образования частиц за счет объемного парообразования, создаются, условия для гидродинамического механизма образования-более крупных- частиц.

Исследования- эрозионных факелов, образующихся при воздействии лазерного^излучения на мишени, имеющие на поверхности окленую хленку .и _ без нее., > показали, что наличие первоначальной окисной вденки-влияет, на- оптические характеристик!: эрозионного факела на протяжении. всего -времени суиествования шшзмообразутапего импульса. :*Р5 окисной пленки в эрозионный факел" уже с самого начала

^действия поступает относительно крупные.частицы (фрагменты)

окисной пленки, затем они доиспаряются. Оптико-физические свойства окисных пленок обычно-таковы, что разрушение их происходит при меньших гаготност.ях мощности падающего излунения. Плазмообразование на окксных пленках существенно облегчает процесс разрушения металлических мишеней в течение всего лазерного импульса.

БКБ ОДЫ

Экспериментальные исследования физических процессов взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности с металлами при различных плотностях мощности позволили сделать следующие вывода.

1. Частицы материала ышени двигаясь навстречу лазерному лучу доиспаряются и создают вокруг себя более плотную среду, что приводит к низкопороговому пробоз (вспышке поглощения).

2. Оущоствует определенный диапазон плотности мощности излучения неодньового лазера, зависящий от теплофизических свойств материала мишени,' при котором основные потери излучения в эрозионном лазерном .факеле определяются частицами жидкокапельной мелкодисперсной фазы, образующейся за счет объемного парообраз.ова- " ния, Экспериментально определены диапазоны для всех доследуемых металлов. При -плотностях мощности, меньших нижней границы диапазона, лазершй эрозионный йдкел прозрачен и излучение практически не взаимодействует с продукташ разрушения; при плотностях ?.;ощно-ети, больших версией .границы диапазона - потери излучения „основном , определяются л оглохшем в хйгазмв.

•3. Характер разрушения ^уголловккх металлов существенно отличается от остальных кссяедованных в работе: первоначально' эрозионный факеЛ состоит из слабосветящихся, но сильнопоглоцаящих продуктов, затем происходит пробой продуктов эрозии и наблюдается резкое возрастание параметров плазмы; во второй стадии воздействия в факел поступают кидхокаледьные частицы материала мишени и охлаждают факел.

4., На примере никелевой мишени показано, что во время вспышки поглощения в зросионноы лазерном факеле диаметр частиц, образующихся за счет объемного парообразования, уменьшается, то есть в момент вспышки поглощения частицы доиспаряются.

5. При увеличении плотности мощности воздействующего излучения диаметр частиц эрозионного факела уменьшается, что согласуется с механизмом образования частиц жидкокапельной фазы за счет объемного парообразования.

6. Наличие окиской пленки приводит к более быстрому разрушению мкпеии и- пр-д меньших плотностях мощности воздействующего излучения. • • .

7. Разработана и создана автоматизированная система для регистрации и обработки оптических сигналов шшлисекундного диапазона» позволяющая в экспериментах по-лазерному зондированию проводить съеи, накопление и обработку результатов эксперимента, что дало возможность исследовать размера частиц в. реальних моментах времени их образования и взаимодействия с лазерным излучением и окружающей плазмой. . -

• Личный вклад автора.

Вошедяиз в диссертации основные результаты опубликованных работ получены лично диссертантом. Соавторы Чернявский A.Í., Гончаров В.К. как научные руководители принимали участие в постановках задач и обсуждении иолученных результатов. Соавторы Ревин-ский В.В., Кваченок В.Г., Старовойтод A.M., Захояий В.В., Баринов В.Н., Азаркевич. A.M., Кудинов'В.Н., Позняк Р.И., Таранчук В.Б., Товмасян й.К., Колесников В.Н. участвовали в реализации отдельных узлов автоматизированной Системы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Соавторы Концевой Л.В.»Карзбань В.И. .Колесник A.B. участвовали в обсуждении результатов спектроскопических измерений.

Основные.результаты диссертации опубликованы в следующих работах.:;

1».Шк. А.П., Гончаров В.К., Захожий В.В..Карабань В.И., Ре-вкнекий В.В., Старовойтов A.M. Система автоматизации исследований процессов взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности с веществом // Тез. докл. УП Всесоюзной конференции "Планиро-зание и автоматизация эксперимента в научных исследованиях". Секция 4. Автоматизация физического эксперимента. Л. 190о. С. 20.

2. Еык А.И., Гончаров В.К., Захожий В.В., Кваченок В.Г., Ре-шнекий В.В.,.Старовойтов AJÍ,, Чернявский А.З. Многоканальный нзтоматизированный регистратор для исследований по лазерному зонировании // ПТЭ. 1987. № 3. С. 244.

2. Баранов В.Н., Бык А.П., Гончаров В.К., Захожг.й В.В., Казань В.К., Кваченок В.Г., Колесников В.Н., РевннсккП В.В., Чс,> ¡явский ААвтоматизированный комплекс для изучения эрзгданша роцессов взаимодействия импульсного лазерного излучения ^■'¡.cull

ной интенсивности с веществом. Препринт §И АН СССР (оптика и спектроскопия). М., 1986.38. 26 с.

4. Бык А.П.» Гончаров В.К., Кваченок В-Г., Колесников В.Н., Кудинов В.Н., Позняк Р.И., Ревинский В.В., Таранчук В.Б., .Товма-сда С.К., Чернявский А.&. Программное обеспечение систем автоматизации оптико-физических экспериментов. Препринт ФИ АН СССР (оптика и спектроскопия). М., 1936. ii> 91. 13 с.

5. Бык А.Л., Гончаров В.К., Захожий В.В., Карабань В.К., Колесник A.B., Ревинский В.Б., Чернявский А.а. Роль частиц материала мишени в динамике ллазкообразования // Квантовая электроника. 1988, т. 15. № 12. С, 2552-2559.

6. Бык А,-П., Гончаров В.К., Карабань В. И., Чернявский АЛ. Динамика штзжЗобразозвния прк различных, плотностях мощности лазерного излучения, воздействующего на металлические мишени // Квантовая электроника. 1939, т. 16. JP 5. С. 1042-1046.

?. Бык А.И., Гончаров В.К., Карабань В.И., Колесник A.B., Концевой В.Л., Чернявский кЛ. Взаимодействие излучения неодимо-вого лазера .с тугоалавюшид^еталяемя // IfflC. I98S, г. .50*. Р 4. С. 571-575;

6. Дзархеэич А.М., Баршов В.Е.,-йвс А.Я., Захсгай В.В., Карабань В. И. Иопсиааовакке ьшогопарайетрического автоматизированного . регистратора в исс&едозшшзс по лазерному эоццировашш//Гезисы' докладов П университетского сешкара "Применение лазерной и оптико-электронной техники в' н^родноа хозяйстве".Минск.IS85. С.21-22.

9. Бык А.П., Гончаров Б.К., Карабань В.И., Колесник A.B., Концевой В.Л., Чернявбкмй Оптические свойства эрозионных лазерных факелов тугоаяазкик иатагшоэ // Тез .докл. Ш Всесовзного совещания по физике жакотеше'ратурной плазш с конденсированной дисперсной фазой. Одесса» I9S8. С. '43. ,

' 10. Бык А.Д., Гончароз В.К. » Карабань В.й., Чернявский кЛ. Роль частиц металлической мязени при. поглощении лазерного излучения в приповерхностной плазме // Тез. докл. Ш Всесоюзного совещания по физике шзкотешературной плазмы о конденсированной дисперсной фазой., Одесса. 1988. С. 44. - ;

II. Бык А.П., Гончаров В.К., Карабань В.И., Концевой В.Л.. Влияние условий воздействия на процессы транспортировки энергии лазерного излучения через эрозионный факел к поверхности мишени // Тез. докл. Ш Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве". Шатура. 1989. С. 84-85.