Физические процессы в приповерхностной зоне лазерного эрозионного факела металлических мишеней тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

I и •1

1 ".Г,Г .'

УДК:621.373.826:533.9

Пузырев Михаил Валентинович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЗОНЕ ЛАЗЕРНОГО ЭРОЗИОННОГО ФАКЕЛА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МИШЕНЕЙ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск-1998

Работа выполнена в научно-исследовательском институте прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко Белгосуниверситета.

Научный руководитель:

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

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Пустовалов В.К.

Кандидат физико-математических наук Насонов В.И.

Оппонирующая организация- АНК "ИТМО им. А.В.Лыкова"

HAH Беларуси г.Минск

Защита состоится " ff " CZUmdSicX 1998 г. в часов

на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.17 Белорусского государственного университета (220050, Минск, пр.Ф.Скорины, 4, тел. 2-20-73-20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета;

Автореферат разослан

(¿/-ОМХ 1998 г.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций

доктор физико-математических наук,

профессор

Е.С.Воропай

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Вместе с созданием и развитием мощных лазерных установок интенсивно началось изучение различных явлений, которые сопровождают взаимодействие лазерного излучения с металлами. Изучались процессы плавления и испарения мишени, динамика образования кратера и истечение паров в окружающую среду. Растущее применение лазеров в металлообрабатывающей промышленности (резка, сварка, закалка, сверление) обуславливает важность этой проблемы. В связи с этим необходимо провести исследования эрозионных лазерных факелов металлов в так называемом технологическом диапазоне плотностей мощности, который лежит в интервале 105- 108 Вт/см2, так как продукты разрушения двигаясь навстречу излучению взаимодействуют с ним, дефокусируя и поглощая его, тем самым уменьшая эффективность воздействия. Значительное влияние на транспортировку энергии лазерного излучения к обрабатываемой металлической поверхности оказывают частицы жидкокапельной фазы, поступающие в эрозионный лазерный факел на начальной стадии воздействия. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение процессов образования этих частиц вблизи поверхности мишени, так как приповерхностные процессы могут оказывать значительное влияние на дальнейшее развитие эрозионного лазерного факела. Более глубокое изучение физических основ разрушения металлических мишеней под действием лазерного излучения умеренной интенсивность позволит создать фундаментальную базу для дальнейшей оптимизации технологических процессов и, в том числе, создании методов получения безкапельной плазмы.

Связь работы с крупными научными программами (темами).

Работа выполнялась в рамках тем республиканских программ НИР в области естественных наук: "Исследовать кинетические и радиационные характеристики неравновесной многозарядной плазмы и двухфазных эрозионных потоков" (№ гос. per. 019149114), "Исследовать динамику приповерхностных явлений лазерных эрозионных факелов" (№ гос. per. 19961.229) и по программе Фонда фундаментальных исследований "Динамика продуктов эрозии в приповерхностной зоне металлических мишеней при воздействии импульсного лазерного излучения".

Цель и задачи диссертационной работы состоят в установлении закономерностей в динамике формирования частиц жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне мшпе-

ни, а также в выяснении возможностей управления параметрами и составом эрозионных лазерных факелов металлов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Адаптация методики зондирования эрозионных лазерных факелов металлов к исследованиям вблизи поверхности мишени (0,1 -1,5 мм от поверхности).

2. Исследование характеристик эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне.

3. Исследование начала образования частиц жидкокапельной

фазы.

4. Определение условий воздействия лазерного излучения с целью управления параметрами эрозионных лазерных факелов, а также получения эрозионной плазмы с минимальным содержанием капель.

Объектом исследования в работе является эрозионный лазерный факел металлических мишеней; предмет исследования - динамика жидкокапельной фазы материала мишени в приповерхностной зоне эрозионного лазерного факела.

Методология и методы проведенного исследования. В работе экспериментально исследуются физические процессы в приповерхностной зоне эрозионного лазерного факела методом поперечного лазерного зондирования.

Научная новизна полученных результатов:

1. Экспериментально определены пространственно-временные распределения размеров и концентраций частиц жидкокапельной фазы материала металлических мишеней, поступающих в эрозионный плазменный факел за счет объемного парообразования. Использованием мишеней специальной формы это удалось сделать для расстояний от поверхности мишени вплоть до 0,1 мм.

2. Впервые экспериментально обнаружено дробление частиц жидкокапельной фазы материала металлической мишени на расстояниях меньших 1,5 мм от ее поверхности.

3. Определены временные задержки появления в плазменном факеле мелкодисперсных частиц жидкокапельной фазы материала мишени благодаря использованию лазерной методики определения размеров и концентрации этих частиц, адаптированной к условиям лазерного зондирования в приповерхностной области.

4. Экспериментально показано, что в эрозионных лазерных факелах, помещенных во внешнее электрическое поле, с увеличением напряженности этого поля диаметр частиц жидкокапельной фазы уменьшается.

5. Экспериментальными исследованиями кинетики частиц конденсированной фазы эрозионных факелов в скрещенных лазерных пучках показано, что воздействием излучения вспомогательного лазера можно эффективно управлять параметрами частиц жидкокапель-ной фазы и, тем самым, параметрами самих эрозионных лазерных потоков. Показано, что для этого требуются меньшие плотности мощности, чем воздействующего излучения, а для частиц, сформированных за счет объемного парообразования, существенно более низкие.

Практическая значимость полученных результатов.

Результаты исследований динамики эрозионных лазерных факелов в приповерхностной зоне важны для построения теоретических моделей плазмодинамической картины, формирующейся при разрушении металлов под действием излучения неодимового лазера с плотностями мощностей 105 - 108 Вт/см2, и для оптимизации режимов лазерной обработки металлов. Результаты экспериментов по доиспаре-нию частиц вспомогательным лазером и исследования эрозионного факела во внешнем электрическом ноле вместе с модернизированной методикой определения диаметров и концентрации частиц продуктов разрушения мишени могут использоваться для управления и контроля параметров двухфазных эрозионных потоков, а также получения "стерильной" безкапельной плазмы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Существуют условия, когда в приповерхностной зоне металлических мишеней происходит дробление частиц жидкокапельной фазы, поступающих в эрозионный лазерный факел за счет объемного парообразования.

2. При движении навстречу воздействующему лазерному излучению, вследствие конкуренции процессов доиспарения и дробления частиц жидкокапельной фазы материала мишени, сформированных за счет объемного парообразования, на некотором расстоянии от поверхности мишени наблюдается максимум концентрации частиц. Расстояние, на котором это происходит, зависит от материала мишени и плотности мощности воздействующего излучения.

3. Методика лазерного зондирования в приповерхностной зоне (0,1 мм от поверхности) дает возможность экспериментально определить начало формирования частиц за счет объемного парообразования, происходящей с некоторой задержкой относительно начала воздействия, которая зависит от плотности мощности воздействующего лазерного излучения, а также оптических и теплофизичсских характеристик исследуемого металла.

4. Предложенный метод управления параметрами и фазовым составом эрозионных лазерных факелов металлов, основанный на ис-

пользовании скрещенных лазерных пучков позволяет эффективно регулировать размеры и концентрации частиц жидкокапельной фазы в факеле вплоть до их полного исчезновения.

Личный вклад соискателя.

Вошедшие в диссертацию основные результаты опубликованных работ получены автором самостоятельно. Научный руководитель Гончаров В.К. сформулировал и поставил задачу исследований, оказывал методическую помощь при выполнении работы, принимал участие в обсуждении полученных результатов. Соавтор Концевой В.Л. оказывал помощь в реализации отдельных узлов лазерной установки. Соавтор Сметанников A.C. участвовал в разработке математической модели измерения размеров частиц и обсуждении результатов.

Апробация результатов диссертации.

Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях:

- Российской аэрозольной конференции (Москва, 1993 г.);

- Научной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994 г.);

- Н-ой Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1995 г.);

- Межгосударственной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом" (Минск, 1995 г.);

- Международном симпозиуме "Physics and diagnostics of laboratory & astrophysical plasma" (Минск, 1996);

Научной конференции, посвященной 75-летию БГУ "Актуальные проблемы социально-гуманитарных и естественных наук" (Минск, 1996);

- International Conference Nonresonant Laser-Matter Interaction (Санкт-Петербург, 1996);

- III-ей Конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.).

Опубликованность результатов.

Основные результаты работы опубликованы в 7 статьях в научных журналах и 11 тезисах докладов на упомянутых конференциях.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 4 глав, заключения и списка литературы, состоящего из 117 наименований. Объем диссертации составляет 112 страниц, из них 29 страниц рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении и общей характеристике работы обосновывается актуальность исследования физических процессов, происходящих в эрозионных лазерных факелах вблизи поверхности мишени, излагается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формируется цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературы, в которой рассмотрены физические процессы, происходящие при воздействии излучения умеренной интенсивности (105 108 Вт/см2) на различные мишени. Более подробно анализируются научные статьи, в которых описываются эксперименты по исследованию эрозионных факелов металлов. Из рассмотренных материалов видно, что значительный вклад в ослабление воздействующего лазерного излучения вносят частицы жидкокапельной фазы, которые присутствуют в эрозионном факеле, а при определенных условиях могут полностью экранировать это излучение. Частицы жидкокапельной фазы появляются уже на начальном этапе лазерного воздействия. Их формирование происходит за счет механизма объемного парообразования. Эти частицы поглощают и рассеивают воздействующее лазерное излучение и тем самым уменьшают эффективность лазерной обработки поверхности металла. Литературные данные показывают, что чем ближе.к поверхности мишени, тем поглощение, которое происходит за счет частиц, сформированных объемным парообразованием, больше. К моменту выполнения работ по теме диссертации из-за значительных экспериментальных трудностей наименьшее расстояние, на котором удалось изучить экранирующее действие частиц в эрозионном факеле составляет 1,5 мм от поверхности мишени. В то же время предварительные оценки показывали, что размеры и концентрации частиц в области непосредственно прилегающей к поверхности (< 1,5 мм) могут значительно отличаться от определенных на расстояниях более 1,5 мм от поверхности. В приповерхностной зоне происходят процессы, которые существенным образом в дальнейшем влияют на динамику формирования эрозионного лазерного факела. Поэтому представляет интерес исследовать характеристики эрозионного лазерного факела металлических мишеней вблизи поверхности мишени. Наряду с этим важной задачей является возможность управления жидкокапельной фазой в эрозионном лазерном факеле металлов.

Для решения этих задач была использована установка, которая описывается во второй главе. Плазмообразующий лазер состоит из генератора и двух усилителей, которые сделаны на основе неодимовых

излучателей ГОС-1001М. Длина волны излучения А=1,06 мкм. Воздействие на металлические мишени производилось лазерным импульсом по форме близким к прямоугольной с длительностью 400 мкс. Энергия в импульсе достигала 400 Дж. Изменение плотности мощности воздействующего излучения осуществлялось нейтральными светофильтрами.

Контроль параметров мелкодисперсной жидкокапельной фазы в эрозионном факеле осуществлялся с помощью поперечного лазерного зондирования рубиновым лазером. Так как необходимо было проводить эксперименты вблизи поверхности мишени, диаметр луча рубинового лазера должен быть на протяжении всей зоны зондирования как можно меньше. Для этого в резонатор рубинового лазера была помещена диафрагма. Изменяя базу резонатора и используя внутрирезона-торные диафрагмы, удалось изменить расходимость и поперечные размеры луча зондирующего рубинового лазера таким образом, что в зоне зондирования он составлял 0,2 мм. Его плотность мощности в зоне зондирования не превышала 104 Вт/см2, чтобы не возмущать параметров зондируемой среды.

Экспериментальные трудности заключались в том, что в процессе воздействия плазмообразугощего лазерного излучения в зоне воздействия образуется эрозионная лунка, которая своими краями может экранировать зондирующий луч. Для предотвращения этого мишень изготовлялась в виде цилиндра, диаметр которого был соизмерим с диаметром пятна облучения плазмообразующего лазера. В настоящих экспериментах диаметр мишени был 0,6 см, а диаметр пятна плазмообразующего лазера составлял 0,9 см.

Мишень помещалась в интегрирующую сферу, имеющую отверстия, с помощью которых одновременно производился контроль падающего на эрозионный факел {Рт„(1)), прошедшего через него (Рцр(0)у а также рассеянного (Рра:(г)) компонент излучения рубинового лазера.

Очевидно, что для зондирующего излучения

РПаМ)=Рпр(1)+Ррас(0+Рпог(1). (1)

т.е. мощность падающего на зондируемый объект излучения равна сумме мощностей прошедшего Рпр(0, рассеянного Ррас(1) и поглощенного Рпог(1) излучения. Нормируя на единицу, получаем

Кпр(0+Крас(0+Кпог(1)=1, (2)

где

Для количественной оценки размеров частиц использовался метод, который заключается в определении диаметров частиц й путем сравнения экспериментально измеренных соотношений рассеянной и поглощенной компонент зондирующего излучения и теоретически рассчитанных по теории Лява-Ми зависимостей этих соотношений от размеров частиц. В теории Лява-Ми показано, что факторы рассеяния и поглощения выражаются через ряды с комплексными коэффициен-

_ кй

тами апаЬп, зависящими от параметра дифракции х

00

Qrac=-±lIJ(2Ъ+1)(WÍ + \b«Í)> (4)

X „=1

2 50

Япот=—^(2п+1)Яе(ап + Ы), (5)

X п=1

где £?пот - фактор потерь, равный 0,попг0,рас+0.тг- Коэффициенты ап и Ь„ определяются через функции Риккати-Бесселя цгп и ^ п и их производные:

_ ту/п(тх)-у/п(х)-у/п(х)-у/й(тх) ту/п(тх)-%п(х)-£п(х)-у/п(тх)'

и _ ¥П(пк)' У'п(х)' тУф) • У'п(,т) у/п(тх)■ %п(х) - т£п(х)-у/'п(тх) '

где т-пнх-

Определение коэффициентов рассеяния и поглощения с помощью предлагаемой методики справедливо при однократном рассеянии, а в ЭТОМ случае (2ра/<2г.ог=Кра/Кюг-

Наряду с диаметром частиц жидкокапельной фазы эрозионного лазерного факела важной его характеристикой является числовая и объемная концентрации этих частиц.

При однократном рассеянии очевидно:

г=апотлг2М=Крас +Кпог (8)

где: N - числовая концентрация частиц; г - радиус частиц; 1 - длина взаимодействия зондирующего излучения с продуктами эрозии. Получаем выражение для концентрации:

N -

где / величина зондируемой среды.

К.рас^~ Кп ог

Зная числовую концентрацию, а также размеры частиц жидкока-пельной фазы эрозионного лазерного факела можно определить и объемную концентрацию частиц жидкокапельной фазы Су (отношение объема, занимаемого частицами конденсированной фазы в исследуемой зоне ко всему объему исследуемой зоны), что также очень важно для количественной оценки результатов экспериментов. Она определяется из формулы.

__ 4 К-рас^ К.пог

с'~з е I т- (10)

«-пот

Съем и обработка информации производилась автоматизированным комплексом, в который входил многопараметрический автоматизированный регистратор, а также ЭВМ.

С помощью автоматизированной системы на основе ПЗС-прибора была измерена пространственная равномерность распределения интенсивности воздействующего лазерного излучения в пятне до фокуса линзы, а также за фокусом. Показано, что существующее в настоящих экспериментах распределение достаточно близко к равномерному.

Третья глава посвящена исследованию эрозионных факелов металлов в приповерхностной зоне (0,1 -1,5 мм от поверхности мишени).

Качественные исследования с оловянной мишенью показали, что первоначально в эрозионный факел поступают достаточно мелкие частицы материала мишени. По крайней мере, их размеры значительно меньше длины волны зондирующего излучения рубинового лазера (0,7 мкм). В конце воздействующего импульса неодимово-го лазера в эрозионный факел начинают поступать довольно крупные частицы, размеры которых больше длины волны зондирующего излучения. Эго можно объяснить тем, что в начале воздействия в факел поступают частицы за счет объемного парообразования, а к концу лазерного воздействия происходит смена механизма образования частиц и в факел поступают частицы за счет гидродинамического механизма. Уменьшение коэффициентов рассеяния и поглощения при удалении от поверхности мишени говорит об уменьшении общей массы частиц вследствие их доиспарения в процессе движения в поле воздействующего лазерного луча.

Более подробные количественные исследования были проведены при воздействии на мишени из свинца и никеля при различных плотностях мощности воздействующего излучения неодимового лазера на расстоянии 0,5 мм от поверхности мишени. Эксперименты показали, что в первоначальной фазе воздействия, когда в эрозионный факел поступают более мелкие частицы за счет объемного парообразования,

с увеличением плотности мощности воздействующего излучения не-одимового лазера размеры частиц уменьшаются. Это может быть связано с тем, что при большей плотности мощности в зоне воздействия формируется более тонкий слой жидкого металла из-за большей скорости фронта испарения.

Для выявления изменений параметров жидкокапельной фазы в процессе движения вдоль эрозионного факела было проведено зондирование на различных расстояниях от поверхности мишени при одинаковых условиях воздействия. Эксперименты были проведены со свинцовой и никелевой мишенью. Воздействие на свинцовую мишень производилось плотностью мощности неодимового лазера 2,4-105 Вт/см2, а на никелевую 1,3-106 Вт/см2. В результате исследований удалось определить размеры частиц жидкокапельной фазы и их числовую концентрацию в зависимости от расстояния до поверхности мишени. Эксперименты показали, что частицы максимального размера наблюдаются у самой поверхности мишени, а при удалении от нее размеры частиц уменьшаются. Числовая концентрация у свинцовой мишени увеличивается вплоть до 0,5 мм от поверхности мишени. При дальнейшем удалении наблюдается спад. Анализ полученных результатов позволяет предположить, что такое поведение концентрации частиц связано с конкуренцией двух процессов: увеличение числа частиц за счет дробления и уменьшение - за счет доиспарения.

При увеличении плотности мощности воздействующего излучения неодимового лазера при облучении свинцовой мишени максимум концентрации частиц приближается к поверхности мишени. Это означает, что при увеличении плотности мощности воздействующего излучения процесс дробления частиц при их движении вдоль факела начинается раньше, а концентрация их значительно выше из-за изменения условий в поверхностном слое мишени. Числовые концентрации частиц материала никелевой мишени качественно ведут себя аналогичным образом. При удалении от поверхности мишени концентрация частиц увеличивается вплоть до 1,5 мм. Увеличение числовой концентрации частиц может быть связано не только с их дроблением вследствие нагрева. Вклад в увеличение концентрации может быть сделан и за счет появления частиц вследствие конденсации. В этом случае при удалении от поверхности мишени должно наблюдаться увеличение общей массы сконденсированного вещества. Для проверки этого были измерены объемные концентрации частиц Сг При удалении от поверхности мишени объемная концентрация падает. Это говорит о том, что в условиях настоящих экспериментов между конкурирующими процессами конденсации и доиспарения частиц последний является доминирующим. Следовательно, уве-

личение размеров частиц при удалении от поверхности мишени можно объяснить только дроблением их в процессе движения за счет перегрева. При измерении размеров и концентрации частиц жидко-капельной фазы методом лазерного зондирования контролируются средние по зондирующему лучу параметры частиц. Для определения истинных значений производилось поперечное зондирование эрозионного факела на различных расстояниях от оси факела. Затем, используя обращение Абеля, рассчитывались истинные параметры. В результате установлено, что изменения параметров частиц жидкока-пельной фазы вдоль радиуса факела в настоящих экспериментах лежат за пределами точности измерений, которая составляет ~ 10 %. Следовательно, усредненные по зондирующему лучу значения параметров частиц жидкокапельной фазы материала мишени вблизи поверхности близки к истинным (по крайней мере их отличие от истинных значений составляют менее 10 %).

Таким образом, исследования, проведенные с мишенями специальной формы, позволили методом поперечного лазерного зондирования измерить пространственно-временное распределение размеров и концентраций частиц мелкодисперсной жидкокапельной фазы материала мишени. Экспериментально показано, что можно создать такие условия воздействия лазерного излучения на металлы, при которых концентрация частиц мелкодисперсной жидкокапельной фазы, поступающих в эрозионный факел с поверхности мишени за счет объемного парообразования, увеличивается при удалении от мишени. При этом диаметры частиц уменьшаются. Это происходит за счет дробления частиц вследствие их перегрева. С другой стороны, частицы в процессе движения доиспаряются, в результате чего происходит уменьшение их размеров и концентрации. Вследствие конкуренции процессов дробления и испарения частиц на некотором расстоянии от поверхности мишени наблюдается максимум концентрации частиц. Расстояние, на котором это происходит, зависит от материала мишени и плотности мощности воздействующего излучения.

В этой главе рассматриваются также экспериментальные исследования временных задержек появления в эрозионном факеле частиц, сформированных за счет объемного парообразования, относительно начала лазерного воздействия. Зондирование проводилось максимально близко к поверхности мишени и составляло 0,1 мм от поверхности. В работе проводились исследования с эрозионными факелами мишеней из Ъп, Бп, РЬ, N1. Максимальная чувствительность измерительной аппаратуры при контроле концентрации частиц (жидких капель) в экспериментах составляла 108 см 3. Временное разрешение измерений опреде-

ляется длительностью промежутка между отдельными "пичками" зондирующего излучения рубинового лазера, которое составляет ~ 10 мкс.

При исследованиях динамики эрозионных факелов целесообразно выяснить моменты начала развития факела и появления в нем мелкодисперсной жидкокапельной фазы. С этой целью из исследуемой зоны с помощью кварцевого капилляра выводилось излучение плазмы в широком спектральном диапазоне и регистрировалось с помощью ФЭУ-68.

Эксперименты с цилиндрической мишенью, а также поперечное лазерное зондирование вблизи поверхности позволило определить начало объемного парообразования в металлических лазерных мишенях по измерению концентрации мелких жидких капель материала мишени. Первоначально эрозионный факел состоит из прозрачных светящихся паров материала мишени, потом с некоторой задержкой во времени за счет объемного парообразования в эрозионный факел поступают мелкие жидкие капли. Задержка появления объемного парообразования зависит от плотности мощности воздействующего лазерного излучения и от оптических и теплофизических характеристик материала мишени. При увеличении плотности мощности воздействующего излучения задержка появления объемного парообразования уменьшается.

В четвертой главе рассматривается возможность управления параметрами и составом эрозионных факелов металлов.

С этой целью эрозионный факел помещался во внешнее электрическое поле. Напряженность электрического поля изменялось от 0 до 4 кВ/см. Воздействие производилось на свинцовую мишень излучением неодимового лазера. Излучение неодимового лазера имело форму близкую к прямоугольной длительностью 400 мкс. Плотность мощности его составляла 4,6-105 Вт/см2. Зондирование производилось на расстоянии 1 мм от поверхности мишени. Эксперименты показали, что с увеличением внешнего электрического поля размеры частиц жидкокапельной фазы материала мишени уменьшаются, а концентрация увеличивается, т.е. происходит дробление частиц. Это связано с пространственным перераспределением электрических зарядов на поверхности частиц, которое стимулирует их дробление.

Другим способом управления параметрами и составом эрозионного факела является воздействие на него мощного электромагнитного излучения. Для этого исследовалась динамика конденсированной фазы в скрещенных лазерных пучках, когда воздействующее излучение направляется перпендикулярно поверхности мишени, а параллельно ей, на некотором расстоянии излучение вспомогательного лазера, которое взаимодействует с продуктами эрозии, доиспаряя частицы конденсиро-

ванной фазы и не меняя при этом условий на поверхности мишени. Исследование динамики эрозионного факела производилось с помощью поперечного зондирования вспомогательного рубинового лазера на расстоянии 2 мм от поверхности мишени. Импульс излучения воздействующего лазера имел форму близкую к прямоугольной с длительностью 400 мкс. Интенсивность во всех экспериментах составляла 1,4-106 Вт/см2 при диаметре пятна облучения б мм. В качестве доиспа-ряющего использовалось излучение импульсного неодимового лазера в режиме свободной генерации с длительностью импульса ~ 10"3 с. Диаметр пучка в зоне воздействия составлял 8 мм.

Изучение параметров эрозионного факела в скрещенных лазерных пучках осуществлялось для трех различных случаев: когда в эрозионном факеле присутствую только частицы, сформированные объемным парообразованием; в факеле присутствуют частицы сформированные как объемным парообразованием, так и гидродинамическим механизмом (500 мкс после начала воздействия); в факел поступают частицы в основном сформированные за счет гидродинамического механизма (700 мкс после начала воздействия).

Эксперименты со свинцовой мишенью показали, что доиспаре-ние частиц конденсированной фазы, формирующихся за счет объемного парообразования, начинается уже при плотности мощности доис-паряющего лазера ~ 105 Вт/см2, а при плотности мощности ~ 5-105 Вт/см2 частицы становятся настолько меньше, что рассеянное ими излучение зондирующего рубинового лазера лежит за пределами чувствительности измерительного комплекса. Исследования показали, что даже при незначительной интенсивности излучения доиспаряю-щего лазера (по сравнению с воздействующим) размеры частиц конденсированной фазы и их концентрация заметно уменьшаются. При дальнейшем же увеличении плотности мощности доиспаряющего лазера частицы жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов уже полностью не фиксируются.

Для момента времени 500 мкс после начала воздействия размеры частиц с увеличением плотности мощности доиспаряющего излучения сначала растут. Это происходит за счет того, что наиболее мелкие частицы, сформированные за счет процесса объемного парообразования, полностью доиспаряются, а в факеле остается большая доля крупных частиц, сформированных за счет гидродинамического механизма. При дальнейшем увеличении плотности мощности доиспаряющего излучения размер частиц уменьшается; Числовая концентрации частиц при это уменьшается. Уменьшение объемной концентрации говорит о достаточно эффективном доиспарении конденсированной фазы материала мишени при увеличении плотности мощности доис-

паряющего излучения. Если еще больше увеличить энергию доиспа-ряющего лазера происходит полное доиспарение жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов.

В момент времени 700 мкс после начала воздействия лазерного излучения на мишень, когда в эрозионном лазерном факеле присутствуют в основном более крупные частицы, сформированные за счет гидродинамического механизма, размер частиц уменьшается с увеличением плотности мощности доиспаряющего излучения. Однако числовая концентрация с ростом плотности мощности доиспаряющего излучения сначала увеличивается). Это можно объяснить дроблением некоторых частиц вследствие перегрева. При дальнейшем увеличении интенсивности доиспаряющего излучения вследствие конкуренции процессов дробления частиц и их испарения преобладающим является доиспарение и число частиц уменьшается. Ход объемной концентрации говорит о том, что масса вещества, сосредоточенная в частицах конденсированной фазы, с увеличением плотности мощности доиспаряющего излучения значительно уменьшается и при некоторой плотности мощности частицы могут полностью доиспарйться.

Таким образом, исследования кинетики частиц конденсированной фазы эрозионных факелов в скрещенных лазерных пучках показали, что воздействием излучения вспомогательного лазера можно эффективно управлять параметрами частиц жидкокапельной фазы и тем самым параметрами самих эрозионных лазерных потоков. Показано, что для этого требуются меньшие плотности мощности, чем воздействующего излучения, а для частиц, сформированных за счет объемного парообразования, существенно более низкие. Плотности мощности, необходимые для доиспарения частиц, образованных за счет гидродинамического механизма, можно также снизить, если поместить эрозионный лазерный факел во внешнее электрическое поле: частицы жидкокапельной фазы, уменьшенные по размерам за счет электрических сил, легче доиспарить излучением вспомогательного лазера.

Результаты этих исследований можно использовать для получения управляемых модельных двухфазных потоков, в которых с помощью дополнительного доиспаряющего лазерного излучения можно регулировать параметры жидкокапельной фазы (диаметры частиц и их концентрацию) эрозионных лазерных факелов, а также получать безкапельную "стерильную" эрозионную плазму с целью нанесения пленок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования физических процессов взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности 105 - 108 Вт/см2 на металлы позволяют сделать следующие выводы.

1. Определены пространственно-временные распределения размеров и концентраций частиц жидкокапельной фазы материала металлических мишеней, поступающих в эрозионный плазменный факел за счет объемного парообразования. Использованием мишеней специальной формы (цилиндрическая мишень, диаметр которой соизмерим с диаметром пятна воздействующего излучения) это удалось сделать для расстояний от поверхности мишени вплоть до 0,1 мм. В зависимости от условий эксперимента (плотности мощности воздействующего излучения, материала мишени) диаметры частиц изменяются в пределах 0,02 - 0,15 мкм, а их концентрации 109 - Ю12 см-3 [5].

2. Впервые обнаружено дробление частиц жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов. Показано, что в процессе движения в поле лазерного излучения частиц жидкокапельной фазы материала мишени, сформированных за счет объемного парообразования, вследствие конкуренции процессов доиспарения и дробления на некотором расстоянии наблюдается максимум концентрации частиц. Расстояние, на котором это происходит, зависит от материала мишени и от плотности мощности воздействующего излучения. При увеличении плотности мощности воздействующего лазерного излучения максимум концентрации частиц смещается к поверхности мишени [8,9,14].

3. Лазерная методика контроля диаметров частиц и их концентрации, адаптированная к условиям экспериментов с мишенями цилиндрической формы, позволила определить временные задержки поступления в эрозионный лазерный факел частиц жидкокапельной фазы, сформированных за счет объемного парообразования, относительно начала лазерного воздействия. Показано, что в первоначальный момент факел состоит из прозрачных для лазерного излучения светящихся паров, затем с некоторой задержкой, зависящей от материала мишени и плотности мощности воздействующего излучения, в него поступают частицы жидкокапельной фазы, сформированные за счет механизма объемного парообразования. При увеличении плотности мощности временная задержка уменьшается [1- 4, 6,7,10].

4. Показано, что во внешнем электрическом поле с увеличением напряженности поля, вследствие стимуляции дробления, размеры частиц жидкокапельной фазы в эрозионном факеле уменьшаются [13].

5. Исследования кинетики частиц конденсированной фазы эрозионных лазерных факелов в скрещенных лазерных пучках показали, что воздействием излучения вспомогательного лазера можно эффективно управлять параметрами частиц жидкокапелыгай фазы и тем самым параметрами самих эрозионных лазерных потоков вплоть до полного исчезновения капель. Для этого требуются значительно меньшие плотности мощности излучения доиспаряющего лазера, чем воздействующего [7,11, 15,16].

6. Определена возможность значительного снижения плотности мощности, которая требуется для доиспарения частиц жидкокапель-ной фазы эрозионных лазерных факелов металлов вспомогательным лазером в скрещенных лазерных пучках. Для этого необходимо эрозионный лазерный факел металлической мишени поместить во внешнее электрическое поле. Результаты данных экспериментов могут быть использовать для получения "стерильной" безкапельной плазмы для нанесения пленок в изделиях микроэлектронной техники [12, 13,18].

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В II Приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию в лазерных мишенях // ИФЖ. - 1994. - Т.66, №6. - С. 662 - 667.

2. Воздействие прямоугольного импульса неодимового лазера на по-

ристые металлические мишени. / В.К.Гончаров, В.Л.Концевой, М.В.Пузырев, А.С.Сметанников II ИФЖ. - 1994. - Т.66, №2. - С. 179- 183.

3. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с металлами, входящими с состав сплавов на основе железа // ИФЖ. - 1994. - Т.66, №5. - С.585 - 589.

4. Контроль размеров частиц мелкодисперсной конденсированной фазы эрозионных плазменных потоков в реальном времени их существования / В.К. Гончаров, В.Л. Концевой, М.В.Пузырев, А.С.Сметанников // ПТЭ. - 1995. №5. - С. 146 - 155.

5. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Динамика образования жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов металлов вблизи поверхности мишени // Квантовая электроника. -1995. - Т.22, №3. - С. 249-252.

6. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Начало объемного парообразования

в металлических лазерных мишенях // Оптический журнал. - 1996. - №2. - С.75 - 77.

7. Гончаров В.К., Пузырев M.B. Кинетика частиц жидкокапелыюй фазы эрозионных факелов в скрещенных лазерных пучках // Квантовая электроника. -1997. - Т24, № 4 . - С.329 - 332.

8. Гончаров В.К., Концевой B.JI. Пузырев М.В. Дробление частиц . жидкокапельной фазы в эрозионном лазерном факеле свинцовой мишени. // Российская аэрозольная конференция: Тез.докл. -Москва, 1993.-С. 154.

9. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Дробление частиц жидкокапельной

фазы в эрозионных лазерных факелах металлов вблизи поверхности мишени. // Научная конференция "Физика и техника плазмы": Тез.докл. - Минск, 1994. - С.31-32.

10. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Начало объемного парообразования в металлических лазерных мишенях // Н-я Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. -Гродно, 1995. - С.265.

И. Гончаров В.К... Пузырев М.В Доиспарение жидких капель материала лазерных мишеней излучением вспомогательного лазера // 11-я Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. - Гродно, 1995. - С.264.

12. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Уменьшение жидкокапельной компоненты в лазерных эрозионных факелах металлических мишеней // Межгосударственная конференция "Взаимодействие излучений с твердым телом": Тез.докл. - Минск, 1995. - С.46.

13. Влияние внешних электрических полей на динамику жидкокапель-

ной фазы лазерных эрозионных факелов / В.К.Гончаров, А.В.Иовлев, М.В.Пузырев, А.В.Сметанников // П-я Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. -Гродно, 1995. - С.242.

14. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Влияние различных факторов на ди-

намику лазерных плазменных факелов металлов // Международный симпозиум "Physics and diagnostics of laboratory & astrophysical plasma": Тез.докл. - Минск, 1996. - С. 13 -15.

15. Гончаров В.К., Пузырев М.В. Двухфазные эрозионные потоки в скрещенных лазерных пучках // Научная конференция, посвященная 75 - летию БГУ "Актуальные проблемы социально-гуманитарных и естественных наук": Тез.докл. - Минск, 1996. -Т. 1. - С. 185 - 186.

16. Goncharov V.K., Puzyrev M.V. Kinetics of the Condensed phase of the

erosion jet in crossed laser beams // International Conference Nonresonant Laser-Matter Interaction. St.Petersburg, 1996. - P. 84-85.

17. Исследование пространственно-временной неоднородности световых пучков высокоэнергетичных импульсных лазеров / А.П. Бык,

В.К.Гончаров, И.И.Кравцевич, М.В.Пузырев, А.Е.Сиколенко // Ш-я Конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. - Гродно, 1997. - С.63 - 64.

18. Гончаров В.К., Пузырев М.В., Чернявский А.Ф. Управление параметрами и фазовым составом эрозионных лазерных факелов с помощью излучения вспомогательного лазера // Ш-я Конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. - Гродно, 1997. - С. 244 - 247.

РЭЗЮМЭ

Пузыроу ЛИхаш Вяляпцшав1ч

Ф131ЧНЫЯ ПРАЦЭСЫ У ПРЬШАВЕРХНЕВАЙ ЗОНЕ ЛАЗЕРНАГА ЭРА31ЙНАГА ФАКЕЛА МЕТАЛ1ЧНЫХ М1ШЭНЯУ

эразшны факел, лазернае уздзеянне, прыпаверхневая зона, аб'емнае параутварэнне, часщта дробнадысперснай фазы, скрыжаваныя лазерныя пучкь

Вызначаны параметры эpaзiйныx факелау металлау пабл1зу па-верхш мшэш (0,1 - 1,5 мм ад наверхш) пры уздзеянш на ¡х выпрамень-вання неадымавага лазера умеранай ¡нтэнаунасщ (105 -10® Вт/см2). Уздзеянне выконвалася ¡мпульсам з формай близкая да прамавугольнай працягласцю 400 мке з энерпяй у ¡мпулъсе да 400 Дж. Для даследавання эразшных факелау быу выкарастаны метад папярэчнага лазернага зандз1равання дапаможным рубшавым лазерам. Здыманне 1 апрацоука шфармацьп выконвалася аутаматызаваным! комплексам!: у склад адна-го уваходз1у шматпараметрычны аутаматызываны рэпстратар 1 ЭВМ, друп складауся з ПЗС - датчыка 1 ЭВМ. Атрыманыя вынш дазволш прасачыць прасторава-часовую карцшу разв1цця эразшнага факела металлау. Эксперыментальна выяулена драбленне часщнак вадкакропель-най фазы матэрыяла .\tinnni па&пзу ад паверхш мплэш. У прыпаверхне-вай зоне выяулены макамум канцэнтрацьи часщнак, як1 звязаны з кан-курэнцыяй двух працэсау: давыпарваннем часщнак у пош лазернага выпраменьвання, што уздзейшчае на IX, 1 драбленнем часщнак. Вызначаны часавыя затрымю з'яулення вадкакропельнай фазы у эразш-ным факеле адносна пачатка лазернага уздзеяння. Паказана магчымасць гаравання двухфазным} плазмавым1 патокам! з дапамогай скрыжываных лазерных пучкоу, а таксама знешшм элетр1чным полем. Атрыманыя вынш могуць выкарастоувацца для гаравання I кантролю

параметрау двухфазных эразшных патокау, таксама для атрымання "стэрыльнай" бяскропельнай плазмы.

РЕЗЮМЕ

Пузырев Михаил Валентинович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЗОНЕ ЛАЗЕРНОГО ЭРОЗИОННОГО ФАКЕЛА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МИШЕНЕЙ

эрозионный факел, лазерное воздействие, приповерхностная зона, объемное парообразование, частицы мелкодисперсной фазы, скрещенные лазерные пучки.

Определены параметры эрозионных факелов металлов вблизи поверхности мишени (0,1 мм - 1,5 мм от поверхности) при воздействии на них излучения неодимового лазера умеренной интенсивности (105 -108 Вт/см2). Воздействие производилось импульсом по форме близкой к прямоугольной длительностью 400 мкс с энергией в импульсе до 400 Дж. Для исследования эрозионных факелов использовался метод поперечного лазерного зондирования вспомогательным рубиновым лазером. Съем и обработка информации производилась автоматизированными комплексами: в состав одного входил многопараметрический автоматизированный регистратор и ЭВМ, второй состоял из ПЗС -датчика и ЭВМ. Полученные результаты позволили проследить пространственно-временную картину развития эрозионного факела металлов. Экспериментально обнаружено дробление частиц жидкокапельной фазы материала мишени в близи поверхности мишени. Также в приповерхностной зоне обнаружен максимум концентрации частиц, который связан с конкуренцией двух процессов: доиспарением частиц в поле воздействующего лазерного излучения и их дроблением. Определены временные задержки появления жидкокапельной фазы в эрозионном факеле относительно начала воздействия. Показана возможность управления двухфазными плазменными потоками с помощью скрещенных лазерных пучков, а также внешним; электрическим полем. Полученные результаты могут использоваться для управления и контроля параметров двухфазных эрозионных потоков, а также получения "стерильной" безкапельной плазмы.

SUMMARY

Puzyrcv Michael Valentinovich

PHYSICAL PROCESSES IN THE NEARSURFACE ZONE OF THE LASER EROSION JETS OF METALLIC TARGETS

erosion jet, laser exposure, nearsurface zone, finely dispersed phase particles, bulk evaporation.

Metals erosion jets parameters have been determined near target surface (0,1 -1,5 mm from surface). These jets were produced by the interaction of the moderate-intensity neodymium laser radiation (10s - 10s W/cm2) with metals. The laser radiation was near-rectangular laser pulses of 400 ps duration and of energy up to 400 J. The method of the crossed probing by auxiliary ruby laser was used for erosion jets investigations. Two automated systems collected, stored and processed experimental data. The first system consisted of multi-chennal automatic detector and PC. The second system consisted of CCD - image sensor and PC. The experimental data allowed to follow spatial-time pattern of the metals erosion jets evolution. The fragmentation have been experimentally detected near the targets surface. The nearsurface zone have been detected particles concentration maximum. It connects with competition two processes: fragmentation and addition evaporation. Delay time of the ingress of liquid-drop phase particles into erosion jets relative to laser exposure start have been determined. The scope for a control of twophase plasma jets with an employment crossed laser beams and external electric field have been shown. Experimental data can be used for a control and monitoring of the twophase erosion jets parameters and production of the "clean" drop-free plasma.

Подписано в печать 06.07.98. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1. Печа офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Зак. 386. Бесплатно.

Отпечатано в Издательском центре Белгосуниверситета. Белгосуниверситет. 220050, Минск, пр. Ф.Скоршш, 4.