Исследование крупномасштабного воздействия лазерного излучения на металлы и стекла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Ко времени постановки настоящей работы (1970-1972 гг) подавляющее юльшинство исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом фоводилось на сравнительно маломощных лазерах, энергия в импульсе у которых ю превышала, как правило, двух-трех сотен джоулей, что не позволяло исследовать 1вления лазерного воздействия при значительном размере лазерного пятна на феграде - порядка сантиметра или больше. Имевшиеся в крупнейших лаборатори-[х страны лазеры, способные давать в импульсе по несколько килоджоулей, позво-¡или определить, что модельные эксперименты, выполняемые на фокальных 1ятнах диаметром в доли миллиметра, дают' результаты, иногда существенно яличающиеся от тех, которые получаются при воздействии лазерным пятном с тиаметром сантиметр и более. Размерная зависимость эффектов взаимодействия шзерного излучения с веществом, т.е. зависимость величины порога разрушения от 1иаметра лазерного пятна, - одна из наиболее надежно и давно установленных и, с 1ругой стороны, одна из наиболее универсальных - свидетельствует' о наличии [¡акторов, понижающих пороговые величины тех или иных результатов взаимодей-;твия лазерного излучения с веществом при возрастании диаметра пятна воздействия. Поэтому перенесение результатов, полученных на малых лазерных пятнах, на юздействие с применением больших пятен имело следствием неоправданное ¡авышение ожидавшихся пороговых величин. В некоторых случаях это приводило < неудачным результатам крупномасштабных экспериментов - лучевая прочность оптических элементов большого размера оказывалась на практике существенно ниже той, которая закладывалась при расчетах, и эксперименты срывались.

Похожая ситуация оказалась и с зависимостью пороговых величин от длительности импульса. Результаты, получавшиеся на коротких импульсах, при экстраполяции на длинные импульсы оказывались плохо применимыми - далекими от реальных величин.

Интерес к результатам экспериментов на пятнах большого диаметра и большой длительности импульса (до 1 мс) был столь велик, что при отсутстви подходящих лазеров проводились модельные эксперименты, заключающиеся размещении тонкого слоя взрывчатого вещества на поверхности исследуемог материала или изделия и анализе последствий его взрыва.

Нами была поставлена задача определить пороги разрушения конструкцию^ ных и оптических материалов, а также выяснить характер* основных закономерно стей, которым они подчиняются, именно в условиях лазерного воздействия фокадь ным пятном значительного диаметра (порядка I сантиметра) и большой длительно сти импульса (около 1 мс). Специфичность задачи, решаемой в работе, потребовал специальных методических решений, в частности - разработки специальное источника лазерного излучения. Иго характерной особенностью должна был являться значительная излучаемая энергия, чтобы иметь возможность засвечиват площадь порядка 1 см" с плотностью, превосходящей порог разрушения большин стна материалов. Такой лазер был разработан A.M. Бонч-Бруевичем и И.С. Марша ком с участием автора. В его основу была положена предложенная A.M. Бонч Бруевичем конструкция "светового котла", заключающаяся в размещении значи тельного количества импульсных ламп накачки и активных генерирующих стержней в одном объеме с общим отражателем. Свет ламп накачки не направлялся i помощью отражателя на тот или иной лазерный стержень, а поглощался несколь кими, расположенными но соседству, лазерными стержнями. Это позволил« избежать необходимости в большом количестве отражателей и повысить эффек тивность накачки, свет которой по большей части доходил до лазерных стержне! непосредственно, без отражений.

Лазер был сконструирован и изготовлен в ЦКБ "ЛУЧ" (Москва) в количеств» 3 экземпляров. Один из них был привезен в г. Сосновый Бор в 1968 г. и запущен i 1970 г.

Два года потребовались на разработку схемы питания и поджига. Особенно сти конструкции электропитания лазера ФЛ-4, введенные при разработке в ЦК! "Луч" - питание от источника напряжения 50 кВ, последовательное включение i импульсных ламп (всего их в осветителе 64 штуки), высоковольтный разряднш мало надежной конструкции в каждой цени, - в условиях физической лабораторш оказались неприемлемыми. Нами была разработана своя схема питания, с последо вательный включением 2 (а не 8) импульсных ламп, соединенных с конденсатора ми, заряжавшимися до ±5 кВ, с заземленной средней точкой. Эта схема оказалаа очень надежной, и лазер с таким пит анием проработал без переделок и серьезны; ремонтов 10 лет. Емкостной накопитель для его питания содержал 800 конденсате ров ИМ-5-140, максимальная запасенная в нем энергия была 1,4 МДж, а макси мальная энергия в лазерном пучке достигала 25 кДж (со всех 24 стержней), т.о КПД лазера был более 1,5% . Конструкция лазера ФЛ-4 и его работа подробш описаны в отчетах.

Боковые отражатели лазера, представлявшие собой плоские алюминиевьи экраны, со временем темнели, что приводило к снижению энергии лазера на 15 - 21 % за 2 - 3 месяца эксплуатации. Поэтому такие отражатели были сначала заменень на посеребренные кварцевые пластины, а потом, из-за их дороговизны и неудобств; работы с ними, на специально разработанные керамические отражатели. Эт отражатели позволили несколько увеличить энергию лазера, а главное -улучшили стабильность его выходных характеристик, что позволило заменять отражатели не чаще раза в год. ;

На первом этапе работы лазер ФЛ-4 был уникальным источником лазерного излучения большой мощности. При площади пятна до I см" он генерировал квазигладкий импульс длительностью по основанию 1,2 мс. по полуширине 0.6. мс, что позволяло получать плотность мощности в пятне более 10' Вт/см". Глубина модуляции в импульсе была не более 30 % благодаря переналожению хаотического излучения всех 24 стержней. .,

Для проведения некоторых экспериментов, требующих хорошего пространственного распределения интенсивное™ в фокальном пятне при гарантированном отсутствии "горячих точек", был разработан специальный малоугловой рассеива-тель, позволивший получать фокальное пятно с регулярным распределением интенсивности.

Таким образом, описанный лазер позволял получать энергию в импульсе до 25 кДж, временная структура миллисекундного импульса была таковой, что импульс можно было считать квазигладким (глубина модуляции - не более 30%), пространственная структура фокального пятна представляла собой неплохое приближение к П-образному распределению, глубина модуляции в плоской части которого не превышала 30% без рассеивателя и 10% с применением рассеивателя.

Измерительный комплекс состоял из двух частей: приборов для диагностики лазерного излучения ФЛ-4 и приборов для диагностики процессов взаимодействия лазерного излучения с исследуемыми объектами. Обычно он включат в себя калориметр (использовалась головка от стандартного калориметра ИЭК-1, закрепленная у окна фотометрического шара диаметром 1 метр, в который и попадала часть излучения, отводимая для измерения), систему регистрации мгновенной мощности с применением коаксиального фотоэлемента ФЭК-1, систему регистрации момента начала разрушения, систему скоростной фоторегистрации процесса разрушения. Иногда измерительный комплекс дополнялся системами регистрации импульса отдачи и выноса массы, системой измерения параметров разлета продуктов разрушения, системой регистрации скорости движения границы испарения, спектрографом в сочетании со спектрохронографом для временной развертки получаемого спектра, эталоном яркости ЭВ-45, аэродинамической трубой, скоростными фоторегистраторами СФР и ФП-22 и другими системами.

Таким образом, основным методическим элементом настоящей работы служил лазер ФЛ-4, работавший в режиме свободной генерации. Как уже указывалось, из-за персналожения излучений отдельных стержней в фокальном пятне хаотический характер генерации оказывался сглаженным. Выбор режима свободной генерации объясняется стремлением получить максимальное энергетическое воздействие в условиях, приближенных к возможным крупномасштабным экспериментам.

2. Исследования эффекта экранирования излучения эрозионным лазерным факелом при большом диаметре пятна.

2.1 Экспериментальное определение порога экранирования при воздействии лазерным пятном большого диаметра |1,2)

В процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом существеннук роль может играть поглощение в продуктах испарения материала преграды, перекрывая доступ излучения к облучаемой преграде. Эксперименты, проводившие« ранее при лазерном пятне малого диаметра (доли миллиметра), показывали, чте существенное поглощение в парах начинается при плотности мощности q= 10" Вт/см2. Эти величины подтверждались существовавшими теоретическими воззрениями, в соответствии с которыми предполагалось, что существенный разогра паров может начаться только при наличии в них сильного поглощения излучения Большой интерес представляла экспериментальная проверка справедливости другой точки зрения (И.В.Немчинов с сотрудниками, Институт Физики Земли ЛЬ СССР), появившейся ко времени постановки данной работы и утверждавшей, чт< сильный разогрев паров лазерного факела может развиться даже при очень слабое начальном поглощении (модель "вспышки поглощения"). В рамках этой модел1 было показано, что в практически прозрачных парах металла при нагреве и> лазерным лучом возможно лавинообразное нарастание поглощения, связанное ( очень резкой (экспоненциальной с большим показателем) зависимостью степеш ионизации от температуры, а порог возникновения экранирования не превышает 108 Вт/см2; с учетом же неравновесности паров - и 10 Вт/см*. Интерес к модел! "вспышки поглощения" связан, в частности, с тем, что она должна реализовать« именно в условиях крупномасштабных экспериментов, при больших расстояния? воздействия и, как следствие, болыпго размерах пятна.

Проведенные нами на лазере ФЛ 4 исследования экранирующих свойсп паров алюминия, стали и латуни прр диаметре воздействующего лазерной пятна 8 мм позволили установить, чт< полное экранирование преградь возникает уже при а = 10' Вт/см", ; заметное падение прозрачности факел; начинается при плотностях (0,2-0,3). 10 Вт/см". Прозрачность факел; определялась путем его просвечивани; излучением с рабочей длиной волны ; = 1,06 мкм по двум направлениям вдоль оси силового лазерного луч через центр пятна воздействия (через специальное отверстие в мишени диаметром мм) и вдоль поверхности мишени на разных расстояниях от нее. Первый ти: просвечивания назывался продольным, второй - поперечным. При продольно?

Рис. 1. Пропускание факела при продольном (1) и поперечном (2) просвечивании просвечивании зондирующим служило само силовое излучение, а для по- - " перечного просвечивания использовалось излучение лазера ГОС-ЗОО. из которого формировался пучок диаметром (в области воздействия лазерного луча на мишень) 1-1,5 мм. Кроме этого, проводилось теневое фотографирование мишени и области вокруг нее "в профиль" (как при поперечном просвечивании) с использованием жидкостного неодимового лазера, дающего серию квазирегулярных импульсов с удовлетворительным распределением интенсивности по сечению пучка и с длительностью импульса около 10"8 секунды с преобразованием его излучения во 2-ю гармонику. Регистрировалось также угловое распределение вылетевшей из области воздействия капельной фазы. Эти измерения проводились, чтобы определить роль, которую играет поглощение лазерного излучения в парах металла на процесс разрушения этого металла.

Полученные результаты, фотографии и графики позволяют заключить, что при плотности мощности порядка К)7 Вт/см2 в узкой области перед мишенью возникает интенсивно поглощающее облако, вплотную прилегающее к мишени.

Аналогичные результаты были получены нами при воздействии на сталь и латунь. Через 100 - 200 мке после начала воздействия происходит полное поглощение излучения продуктами разрушения. Начало экранировки отмечается через 20 -40 мкс.

При воздействии на графит полного поглощения не наблюдалось, отмечалось поглощение 30%-50% падающего излучения.

Поскольку в эрозионном лазерном факеле, наряду с парами вещества, присутствует и капельная фракция, существенно было определить, что вносит основной вклад в поглощение света - пары пли капли расплавленного металла.

Общий вид экранирующего облака, параллелизм в результатах продольного и поперечного просвечивания (несмотря на существенно разное количество капель металла, летящих вдоль и поперек луча: поперек луча, т.е. вдоль поверхности мишени, летит основное количество капель расплавленного металла, на 3 порядка превосходящее то количество капель, которое летит вдоль луча), а также ряд контрольных опытов показали, что основной вклад в поглощение вносит паровая фаза. Вкратце этот вывод базируется на следующем:

1. Сравнение распределения капельной фазы по углу между оптической осью и направлением вылета с профилем поглощающего облака показывает, что капельная фаза не может объяснить форму экранирующего облака.

2. Измерения сигнала экранирования на алюминиевых фольгах различной толщины (от .0,2 до 0,01 мм) на графитовой подложке показывают независимость величины экранирования от толщины фольги, хотя ири толщине фольги 0,01 мм общее количество капель таково, что над отверстием для прохода зондирующего излучения диаметром 1 мм должно пролететь за все время импульса не более десятка капель (измерения показывают, что максимальный объем капли не превышает 0,001 мм'), что не может имитировать сигнал экранирования.

3. Эффект экранирования наблюдался и на графите, хотя и существенно более слабый. :

4. При увеличении плотности мощности на мишени роль поглощения света на каплях, как известно, уменьшается, что не объясняет ход нашей зависимости.

5. Наблюдения рассеяния света в факеле показывают, что в начале импульса рассеяние очень невелико, что свидетельствует о незначительном содержании капель металла в продуктах разлета. ■

Полученный нами результат находится в хорошем.соответствии с описанной выше моделью вспышки поглощения. В работе сотрудников Института Физики Земли иод руководством И, В. Немчинова проведен расчет условий возникновения вспышки поглощения с использованием наших экспериментальных данных и показано, что результаты расчета и эксперимента хорошо: совпадают.

Более поздние работы подтвердили определяющую роль поглощения в парах металла в процессе развития экранирования при плотностях мощности около 10 Вт/см2. Более того, было показано, что наличие капельноц фазы является не альтернативой экранированию в парах, а, наоборот, поддерживающим фактором: наличие капельной фазы снижает порог появления плазмы, повышает ее плотность и увеличивает поглощение в плазме.

Описанный выше результат явился одним из первых экспериментальных свидетельств возникновения экранирования при плотностях мощности не выше 10 Вт/,см2 Получение этого результата было возможно благодаря проведению экспериментов на установке, обладающей достаточной мощностью и потому позволяющей осуществить воздействие при площади лазерного пятна порядка 1 см". При этом выполнялось условие с1 » Ъ, где <1-диаметр лунки, а 1т - ее глубина (в нашем случае с!= 8 - 15 мм, а Ь = 0,1 - 0,2 мм), благодаря чему в пространстве, непосредственно прилегающем к мишени, можно было говорить о выполнении условия плоского разлета. Смена геометрии разлета паров преграды (замена точечного разлета при малом пятне на плоский разлет на большом пятне) приводит к заметному изменению характеристик разлетающихся паров,, в частности - их прозрачности. Интерес к этому результату связан с тем, что при постановке экспериментов не лабораторного класса ("натурных", "полигонных" и т. д.) лазерное воздействие на мишень осуществляется с расстояний от сотен метров до сотен километров, что, естественно, приводит к неточечным размерам лазерного пятна, от сантиметров до десятков метров-.в диаметре. Описанные эксперименты являлись одной из первых реализованных моделей подобного крупномасштабного воздействия.

2.2 Разрушение преграды при лазерном воздействии в условиях развитого экранирования. |2, 5]

Так как формирование облака лазерной плазмы, экранирующего преграду от лазерного излучения, происходит в течение начапьной фазы импульса, не превышающей обычно 1/20 - 1/7 его части, то после окончания этой фазы доступ лазерного излучения к преграде практически прекращается, т.е. большая часть энергии лазерного импульса воздействует не на преграду, а на экранирующее облако. Поэтому представляло интерес выяснить, происходит ли в условиях развитого экранирования эрозия материала преграды. Характерные свойства обнаруженного в работах экранирующего облака эрозионной плазмы - большое поглощение, малая толщина и плотное прилегание к преграде - давали основание предполагать, что преграда может разрушаться тепловым излучением облака. Действительно, -значительная часть энепгии пазепного импульса поглощенной Лакелом. лолжна снова преобразовываться в излучение, так как потери энергии с выносимой массой при наших плотностях мощности невелики, как и потери на от ражение. В ряде работ приведены теоретические оценки мощности переизлучения факела, нз которых следует, что в условиях нашего эксперимента роль излучения факела в общем балансе энергии должна быть существенной.

Нами была поставлена работа по выяснению роли излучения факела в общем балансе энергии при разрушении алюминиевой преграды. Чтобы судить о плотности мощности излучения цпов. доходящего до поверхности преграды, мы воспользовались известным соотношением между qnoв и скоростью движения границы испарения V. справедливым при умеренных значениях ч.юДЮ"1 Вт/см" <10ч Вт/см2):

Чпоь= где р- плотность металла, кудельная теплота испарения, Г -удельная энергия продуктов разлета. Измерялась скорость движения границы испарения V на различных стадиях лазерного импульса. Измерения проводились на образцах, составленных из двух слоев алюминиевой фольги, разделенных слоем диэлектрика Рис. 2 Зависимость скорости движе- (тонкой бумаги). Прогорание каждого ния границы испарения от плотности сдоя сопровождмось гальваническим мощности излучения на преграде. замыканием цепи через плазму и фиксировалось на осциллограмме, что позволяло вычислить среднюю скорость V в пределах данного слоя. 'Характеристики лазерного импульса, использовавшегося в этой работе, описаны выше. Из измерений времени прогорания фольг различной толщины, из типичных значений скоростей движения границы испарения и на основании временных зависимостей пропускания факела была выбрана фольга толщиной 0,15 мм. В том диапазоне плотностей мощности, в котором мы работали (от 4 до 10 МВт/см2 ), первый слой прогорал, в основном, до начала развитого экранирования, а второй - в условиях развитого экранирования. При с),,,,,, < 4 МВт/см2 второй слой вообще не прогорал до конца. Нами были'измерены и представлены в виде графиков средние скорости прогорания первого и второго слоя фольги в функции плотности мощности лазерного излучения на преграде. Вычисленные из наклона этих графиков величины удельной энергии разрушения алюминия, приведенные к величине плотности мощности в лазерном пучке, оказались равными е( = 10 кДж/г для первого слоя и е2 = 24 кДж/г для вт орого слоя (испаренная в первом слое масса при размере прогоревшего пятна 0,5 см" составляла около 20 мг;'размер прогоревшего пятна во втором слое мог быть и меньше: это соответственно учитывалось). Табличное значение теплоты сублимации алюминия равно 10,9 кДж/'г, а нагрев до плавления, теплота плавления и нагрев до кипения дают еще 2,5 кДж/г; гам» образом, суммарная энергия разрушения алюминия должна быть около 13,5 кДж/г Однако при измерениях удельная энергия разрушения обычно меньше даже теплоты сублимации, что в нашем случае связано со способом регистрации: факт прогорания слоя может фиксироваться до полного испарения всего материала в нагреваемом участке слоя.

Соотношение скоростей прогорания первого и второго слоев позволяет заключить, что после прогорания первого слоя плотность мощности на втором уменьшилась (в среднем за время прогорания) примерно в 2,5 раза. Так как пропускание факела, в соответствии с результатами, представленными в главе 1, составляет доли процента, следует заключить, что второй слой преграды испаряется только под действием излучения факела.

Проведенные в [5J оценки температуры факела и излучаемой им плотности мощности, необходимой для разрушения преграды, привели к величинам qno„ = 4,5 МВт/см2 и Т = 30000 К.

Если свойства приповерхностной области факела, вплотную прилегающей к преграде, далеки от свойств черного тела, температура ее должна быть еще выше. Расход энергии, необходимый для нагрева 20 мг алюминия до такой температ уры, может быть представлен в виде р = р + г,- + с "—иен ^ион J-^нагр г где Еиш = mCj (Тп - Т0) + тСж (Тк -Тп) + т( Я + к) - энерг ия, необходимая для нагрева и испарения материала; FH0H =Ni(«, +а2) - энергия первой и второй иониза-ций (при Т =30000 К концентрация Л1111 значительна); Ешгр = 5/2k(T|N]+T2N2+T3N.O - энергия нагрева ионного и электронного газов при различных степенях ионизации; m = 20 мг; N = 1,16-1020 -масса и число атомов испаренного металла; Ств = 0,90 Дж/г К и Сж = 0,94 Дж/г К - теплоемкости твердой и жидкой фаз; г=0,40 кДж/г и Д =10,9 кДж/г - теплоты плавления и испарения, TK0VIH = 293К, Т„л = 930 К и Ткип ~ 2348 К - температуры комнатная, плавления и кипения алюминия; Ti = 10000 К, Т2 = 18000 К, Тз = 30000 К - температуры, до которых пар можно считать состоящим в основном из All, Allí и А1Ш соответственно; N: = 2N¡ и N3 = 3N, - количество частиц пара при однократной и двукратной ионизациях соответственно; Ui = 6 eV и U2 = 19 eV - потенциалы первой ц второй ионизации. Величина Е оказывается равной 1400 Дж.

Таким образом, чтобы рассматриваемый процесс разрушения второго слоя мог происходить, необходима температура приповерхностной области факела около 30000 К, и энергия, поглощенная первым слоем металла к моменту разрушения второго, должна быть не меньше 1400 Дж. В наших работах экспериментальная оценка температуры приповерхностной области факела делалась по ее эмиссионному спектру, в частности по линиям АНН (дублеты 3601,62 А и 3612,35 А; 4512,54 А и 4529,18 А, 5696,47 А и 5722,65 А), и привела к величине 29000 - 30000 К. Энергия, излучаемая лазером за время разрушения двух слоев (180 - 300 мкс). достигает 1,5-2 кДж при общей энергии в импульсе около 10 кДж.

Таким образом, показано, что после возникновения развитого экранирования возможно разрушение преграды тепловым излучением плазменного облака.

Описанные здесь результаты позволили значительно дополнить существовавшую точку зрения на лазерную эрозию металлической преграды. Было экспериментально показано, во-первых, что плотности мощности 10 Вт/см" достаточно для возникновения эффективного экранирования преграды, во всяком случае - при значительном диаметре пятна. Во-вторых, несмотря на экранирование, эрозия преграды не прекращается, хотя скорость ее и уменьшается в несколько раз. Учет этих обстоятельств применительно к лазерному воздействию на металл позволяет правильно выбрать потоки и длительности воздействующего излучения для того, чтобы добиться желаемого результата воздействия.

3. Процессы, сопровождающие воздействие лазерного излучения на металлы в присутствии атмосферы.

3.1 Исследования роли окислительных процессов при лазерном воздействии на металлы в атмосфере. |19, 26, 8]

В связи с развитием с середины 70-х годов лазерной термохимии исследователи обратили внимание на возможную существенную роль атмосферы в процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом. Если раньше атмосфера рассматривалась в основном как источник противодавления при расчетах газодинамических процессов либо при измерениях выноса массы или импульса отдачи, то с появлением лазерной термохимии было показано, что наличие в атмосфере сильного окислителя - кислорода - может приводить к принципиально новым процессам, ранее не учитывавшимся.

В этих работах также существенна зависимость результата от диаметра пятна, так как при значительном диаметре пятна можно пренебречь притоком окислителя с периферии нагреваемой области, в то время как при точечном нагреве такой приток будет основным.

Применительно к рассматриваемой задаче - воздействию лазерного излучения на металлы - наличие атмосферы может существенно повлиять на результат взаимодействия, если на рассматриваемой металлической поверхности возникнет под действием лазерного нагрева окисная пленка. Хорошо известно, что окисные пленки очень значительно меняют оптические свойства металлических поверхностей. Возникновение поглощающей окисной пленки на металле может радикально изменить результат последующего воздействия на этот металл. Из литературы также известен обратный эффект - уменьшение поглощательной способности металлической поверхности при воздействии на нее импульсом лазера. В связи с этим нами было предпринято исследование лазерного окисления конструкционных металлов, а также металлов, применяемых в качестве материала для зеркал. Были, разумеется, учтены эффекты изменения отражающих свойств металлов, не связанные с окислением. В частности, было показано, что при таких потоках, когда поглощением в парах можно пренебречь, существенную роль в балансе энергии может играть рассеяние света в факеле.

Отличительной чертой этой серии работ было применение современных методов исследования поверхности - рентгено-электроннои спектроскопии, дифракции высокоэнергетических электронов и локального рентгеновского анализа. Это позволило исследовать послойный состав и кристаллическую структуру образующихся окисных пленок. Существенной особенностью этой серии работ следует считать тог факт, что в результате их выполнения был найден способ эффективного лазерного воздействия даже на высокоотражающие металлические поверхности.

3.2 Особенности образования окисных пленок при лазерном воздействии на титан. [14,16,21 ]

Известно, что состав окисной пленки, растущей на металле под действием того или иного нагрева, неоднороден по толщине, - при приближении к границе окисла с металлом высшие окислы сменяются низшими. В ряде случаев описание свойств окисной пленки однослойной моделью позволяет верно описывать ее свойства. Вместе с тем, известны случаи, когда для описания оптических свойств пленки однослойная модель не годится.

Нами исследованыруктура истав окисной пленки, образующейся на титане при облучении его лазерными импульсами длительностью 10"3 различных энергий, что приводило к различному нагреву поверхности различных образцов. Были исследованы образцы, максимальная температура на поверхности которых, измеренная термопарой,ставляла 1240°С и 790°С.

С применением метода рентгеноэлектронной спектроскопии было показано, что состав окисной пленки, возникающей на поверхности титана при лазерном облучении, может быть аппроксимирован трехслойной моделью, причем соотношение толщин различных слоев, состоящих, в основном, из

1)ТЮ2,

2)смеси ТЮ2 и Ti20?,

3)ТЮ, не зависит от максимальной температуры, достигнутой в процессе облучения, хотя абсолютные толщины зависят существенно. Так, соотношение толщины слоя, Рис. 3: Распределение относительного содержания состоящего из смеси фаз в поверхностном слое окисленного титана. По высших окислов (Ti02 + оси абсцисс - время стравливания в мин. и толщина Ti20.i), и толщины - слоя стравленного слоя в ангстремах. низшего окисла (TiO) составляет 3:1. Полученные и - / результаты объясняют тот факт, что в ряде случаев при описании оптических свойств слоя окисла однослойная модель не годится. Оптические свойства экисной пленки на титане удовлетворительно описываются при использовании трехслойной модели. Наличие различных фаз в окисле необходимо учитывать и при расчете тепловыделения реакции окисления металла. Показано также, что при импульсном нагреве титана в атмосфере азота происходит образование нитрида гитана.

3.3 Лазерное окисление нержавеющей стали. Эффект избирательного окисления [15, 22,24,33]

Исследование состава и структуры окисных пленок на стали Х18Н10Т было проведено нами в связи с обнаружением нового эффекта изменения поглощатель-ной способности сплавов при нагреве их импульсным лазерным излучением на воздухе. Нами было показано, что этот эффект, трактовавшийся ранее в ряде работ как лазерная очистка поверхности образца от примесей и загрязнений, объясняется избирательным окислением компонентов сплава, имеющих наибольшее сродство к кислороду, в данном случае - хрома, и изменением оптических свойств поверхности в связи с изменением ее состава. Этот вывод был сделан на основании анализа рентгеноэлектронных спектров поверхности образцов нержавеющей стати, нагретой импульсом лазера до различных температур. Эти спектры позволили построить распределение по глубине различных компонентов сплава и окисной пленки, с пространственным разрешением по глубине в десятки ангстрем, что и позволило связать химические изменения поверхности с изменениями ее оптических свойств.

Эксперименты проводились на тщательно очищенных от загрязнений Рис. 4. Распреоеление относителъ- образцах ш стшш Х18Н10Т толщиной ного содержания фаз (а) в поверх- шо мкм^ которые облучались на воздухе постном слое нержавеющей стали импульсом свободной генерации неодима.различных расстояниях (фот мового лазера (г= 13 мс) Методика границы окисел-воздух при нагреве исследования облученных образцов лазерным импульсом до 700 С заключалась в измерении их поглощательной способности на длине волны А, = 10,6 мкм и анализе элементного состава образующихся окислов и приповерхностных слоев сплава методом рентгеноэлектронной спектроскопии.

Было показано, что при нагреве до температур 300 - 500°С поглощательная гппеп^нпг п. пспжяврюшей стали оказывается ппимешю в 1.5 раза меньше исход

1 Г:е,0, 1-е,0, ^

0.8 V /

0.6

0.2 у Сг-,()Д Сг

10 1 -с/ 1 ю2 103 104 ' ной. При дальнейшем увеличении температуры величина поглощательной способности возрастает вследствие согласующего действия окисной пленки.

В работе представлено также распределение содержания отдельных фаз по глубине окисной пленки. Наружная поверхность окисла покрыта тонким (10-15 А) сйоем окиси железа РегОз, а основными составляющими окисной пленки являются окись-закись железа Ре304 и окись хрома Сг20з. Поверхность металла, непосредственно примыкающая к окисной пленке, оказывается обедненной хромом.

Оптические свойства окисной пленки на нержавеющей стали хорошо аппроксимируются однослойной моделью в предположении, что отраженная электромагнитная волна формируется в слое, в котором относительное содержание окисных фаз не превышает 10%, в силу чего он обладает металлическими, а не диэлектрическими свойствами.

Таким образом, наблюдаемое уменьшение поглощения при лазерном окислении связывается с обогащением поверхностного слоя высокоотражающим компонентом сплава, имеющим меньшее сродство к кислороду. Этот эффект известен как избирательное окисление.

Сравнивая результаты, представленные в этом и предыдущем параграфах, интересно заметить, что аппроксимация свойств окисного слоя однослойной моделью не годится для однокомпонентного материала - титана, но оказывается пригодной для многокомпонентного сплава - стали X18Н1 ОТ.

Обнаружение эффекта избирательного окисления позволило применить его к другим сплавам, в частности - к бронзам, что, в частном случае алюминиевой бронзы, позволило получить зеркало с механическими свойствами бронзы, оптическими свойствами отражающего слоя, характерными для чистой меди, и с тонкой защитной пленкой А1203 на поверхности.

3.4 Новый механизм образования окисных пленок - окисление испаренного металла в атмосфере с последующим естественным напылением его на поверхность, подвергнутую лазерному воздействию [30,31,32].

При исследовании образования окисных пленок на алюминии нами было обнаружено, что воздействие лазерным моноимпульсом на алюминиевую поверхность приводило к анома1ьно большой толщине окисной пленки в случае, если плотность мощности на поверхности превышала порог испарения. Исследования показали, что механизм образования такой окисной пленки оказывается не гетерогенным, как при допороговых плотностях энергии, а парофазным с конденсацией окисла на поверхности металла.

Опыты проводились с использованием лазеров на стекле с неодимом с длительностью импульсов 50 не и 1 мс. Регистрировались спектр и кинетика интенсивности свечения факела. Окисные пленки анализировались методом рентгеноэлек-тронной спектроскопии (профиль концентрации элементов по глубине) и методом дифракции электронов (кристаллическая структура). Наиболее подробно исследован дюралюминий Д16.

Имеется несколько существенных отличий получаемой при таком эежиме окисления пленки окисла от пленки, растущей при гетерогенном окислении.

Во-первых, окисная пленка на Д16 аморфна, в то время как при гетерогенном изотермическом окислении Д16 пленка окисла мелкокристаллическая, с характерным размером кристаллита около 100 А.

Во-вторых, эта пленка при толщине более 100 А сплошная (без пор), а ее состав близок к стехиометрической АЬОз. (Эти данные получены при анализе рентге-нюэлектронных спектров).

В-третьих, наблюдается резкое нарастание толщины окисной пленки после того, как плотность мощности ц начинает превышать порог испарения металла. Ни гакая зависимость толщины пленки от ц, ни абсолютная величина толщины получаемой пленки не могут быть объяснены окислением металла по гетерогенному механизму.

В воздухе образованию окисной пленки толщиной больше нескольких монослоев препятствует лимитирование скорости реакции диффузией кислорода в азоте воздуха. Поэтому в условиях гетерогенного окисления толщина пленки должна сильно зависеть от содержания кислорода в атмосфере. В условиях наших экспериментов оказалось, что толщины пленки при окислении в воздухе и кислороде близки. Причинами этого могут быть либо протекание реакции в атмосфере, а не на поверхности образца, либо большой энерговклад теплоты реакции, обеспечивающий поддержание высокой температуры в течение долгого времени, на несколько порядков превышающего длительность импульса.

Показано, что второе предположение в нашем случае не выполняется.

Наблюдаемое явление - образование окисной пленки большой толщины -находит свое естественное и непротиворечивое объяснение в следующей модели. Испаренный металл образует интенсивно окисляющееся облако паров вблизи образца. В результате атомных и молекулярных столкновений, а также благодаря взрывообразному характеру экзотермической реакции окисления в облаке испарен

Рис. 5. Изменение относительной концентрации алюминия а с глубиной стравленного слоя с1 при напылении на алюминий слоя золота (кривая ]) и при окислении поверхности алюминия лазерным моноимпульсом (кривая 2). ного металла возникает обратный поток молекул на образец. Он может усиливаться благодаря уменьшению давления вблизи образца из-за выгорания кислорода в факеле и возникновения вследствие этого газодинамического потока на поверхность. Т^ким образом происходит самонапыление окисляющегося в паровой фазе металла.

Наиболее убедительным, на наш взгляд, доказательством парофазного механизма образования окисных пленок в наших условиях эксперимента служат результаты измерения профилей элементного состава по глубине образца. Для измерений были выбраны два образца, один из которых получен пу гем облучения в воздухе гигантским лазерным импульсом с плотностью энергии 21 Дж/см2, а другой -термическим распылением золота на алюминиевую подложку (см. рис. 5). На обоих образцах наблюдается резкий подъем концентрации алюминия при движении от атмосферы в толщу образца, причем размытость границы сопоставима в обоих случаях с глубиной выхода анализируемых электронов («30 А). Это указывает на сходство процессов термического распыления и окисления металла под действием короткого лазерного импульса. Напротив, гетерогенное окисление металлов характеризуется обычно возникновением весьма размытых границ, обусловленных неустойчивостью плоского фронта окисления.

Таким образом, совокупность полученных результатов убеждает в справедливости предложенной модели окисления металлов под действием коротких лазерных импульсов, состоящей в испарении металла, его окислении в паровой фазе, возникновении обратного потока молекул окисла, их конденсации и доокис-лении на поверхности образца.

3.5 Исследования нагрева материалов в газовом потоке [29].

Как уже отмечалось, окисляющее влияние атмосферы может сказываться очень существенно при лазерном воздействии на металлы в присутствии атмосферы. Нами были предприняты работы по экспериментальному исследованию этого эффекта. В одной из них исследованы характеристики нагрева металла локальным лазерным пятном в условиях обдува воздушным потоком. Особое внимание обращалось на регулярность воздушного потока, в связи с чем плоская пластина исследуемого металла закреплялась на специальном держателе обтекаемой формы, установленном в однородном по скорости воздушном потоке, создаваемом аэродинамической трубой открытого типа, скорость которого можно было менять от 20 до 35 м/с. Герметизация внутренней полости модели обеспечивала одностороннее обтекание образца. Для измерения температуры к тыльной поверхности образца вдоль его оси приваривались термопары. Измерялась температура на оси лазерного пучка, при совмещении оси пучка с одним из спаев термопар, в зависимости от расстояния между спаем и передним (по потоку) краем образца, т.е. в зависимости от толщины по1"раничного слоя. Эти измерения проводились как при обдуве, так и без него, что позволило определить роль обдува воздушным потоком.

В опытах с инициированием светотермохимических реакций использован пучок излучения С02-лазера диаметром 2 мм, длиной волны 10,6 мкм и мощностью около 1 кВт. Измерялась температура тыльной поверхности в центре пучка, что позволило определить зависимость времени активации упомянутой пеакпии от i ' ' 23 4 ; | олщины пограничного слоя. Время активации определяли по точке пере- "' иба на кривых зависимости температуры от времени, предшествующей необрати-юму лавинообразному нарастанию температуры. ■'■"

Для анализа наблюдаемых эффектов проведены расчеты и оценки коэффици-нтов теплопередачи и стационарных температур в центре пучка в различных [редположениях о характере обтекания образца. Показано, что газодинамические ффекты могут играть существенную роль при протекании светотермохимических [роцессов. В частности, заметно снижается время активации термохимической еакции (т.е. переход к режиму самоподдерживающегося горения металла) при мещении положения пучка на образце вниз по воздушному потоку. Смещение низ по потоку приводит к увеличению толщины пограничного слоя, т.е. к уменьшению коэффициента теплопередачи, но это уменьшение очень мало. Тот факт, что мещение вниз по потоку приводит к заметному уменьшению времени активации, |бъясняется очень сильной зависимостью времени активации термохимической «акции от температуры.

6 Исследования закономерностей совместного действия импульс-юго и непрерывного лазерных излучений на металлы в присутствии 1Тмосферы. [27,28]

В работах сотрудников ГОИ (A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон и др.) впер-¡ые был предсказан теоретически и обнаружен экспериментально новый эффект -юзникновение самоподдерживающейся экзотермической реакции окисления в »езультате подачи на поверхность металла, нагреваемую излучением непрерывного [азера, короткого лазерного импульса. Роль импульса сводится либо к созданию на юверхности облучаемого металла окисной пленки, повышающей поглощение илучения непрерывного лазера, либо к добавочному тепловыделению из-за шициирования экзотермической реакции, создающему возможность существова-шя этой экзотермической реакции после окончания импульса, только за счет ;обственного тепловыделения реакции и подводимой непрерывным лазером »нергии.

Нами проводилось экспериментальное исследование этого эффекта на образах из тантала, титана, ниобия, стали и др. Показано, что основным эффектом, гриводящим к ускорению нагрева термически тонкой пластины при воздействии тмнульса, является инициирование экзотермической реакции окисления. Измене-яие поглощательной способности металла за счет образования окисной пленки играет второстепенную роль. Обнаружено, что имеет место экстремальная, с минимумом, зависимость времени нагрева (до температуры начала разрушения) гонкой пластины от времени задержки подачи светового импульса относительно начала непрерывного облучения. Эта зависимость хорошо объясняется разогревом окисляющегося металла излучением непрерывного лазера за время задержки.

Указанные выше закономерности совместного воздействия импульсного и непрерывного излучения были получены на термически тонких образцах, теплоот-вод вглубь образца у которых был невелик, и за время действия импульса температуры обеих поверхностей образца успевали сравниваться. Если же образец термически толстый, то темп остывания его поверхности существенно выше. Поэтому возможность инициирования экзотермической реакции на термически толстой пластине, подогреваемой излучением непрерывного лазера, путем подачи лазерного импульса требовала экспериментальной проверки.

Исследования лазерного нагрева термически Толстых пластин титана и нержавеющей стали показали, что возможность импульсного зажигания термически толстых пластин, нагреваемых непрерывным излучением малой интенсивности, существует. Она реализуется, когда на поверхности металла устанавливается температура, превышающая некоторое пороговое значение. В том случае, когда ожидаемый эффект наблюдается, существуют два предельных режима совместного действия излучений. Первый характеризуется длительным индукционным периодом после подачи импульсного воздействия, предшествующим зажиганию металла непрерывным излучением вследствие накопления окисной пленки и увеличения поглощения. Характерная черта второго режима - резкое увеличение темпа роста температуры после окончания импульсного воздействия, что позволяет говорить об импульсном зажигании металла.

Было показано также, что эффективным путем увеличения поджигающего Эффекта импульсного излучения следует считать увеличение не мощности импульсного излучения (т.к. превышение порога испарения металла резко уменьшает эффективность энерговклада импульса в нагреваемый металл из-за возникающего экранирования), а длительности либо числа подаваемых импульсов. При этом оптимальное время подачи второго импульса - это время прекращения интенсивного испарения металла после подачи первого импульса, т.е. единицы миллисекунд.

4. Исследования лазерного разрушения стекол, а также явлений, порождаемых разрушением.

4.1 Исследование лучевой прочности стекол и кристаллов при больших диаметрах лазерных пятен [35].

К концу 60-х годов в стране стали разрабатываться лазерные системы специального назначения с большими диаметрами световых пучков (десятки сантиметров). Соответственно, для них изготавливались оптические детали таких же диаметров, причем для расчета допустимых плотностей потоков использовались данные, полученные экстраполяцией значений лучевой прочности на малых диаметрах (до миллиметра). Оказалось, однако, что оптические детали не выдерживали расчетные величины потоков и разрушались. В связи с этим на ряде предприятий страны были поставлены работы по определению значений лучевой прочности оптических материалов на больших диаметрах пятен. Одна из таких работ выполнялась под руководством и при участии автора.

1 : Следует сказать, что пучки излучения с диаметром порядка 1 см и выше используются сейчас и будут использоваться в дальнейшем весьма широко, поэтом} проблема измерения лучевой прочности материала на большом диаметре пятне ¡будет существовать всегда.

Для проводившихся нами измерений был модернизирован лазер ФЛ-4: путем замены отражателей, доработки емкостного накопителя и изменения системы сведения лучей выходная энергия была повышена на 15%. Постановка новой многоканальной системы калориметрии позволила повысить точность измерения энергии. При регистрации процесса разрушения метод прямой теневой съемки был заменен методом Теплера с визуализиру ющей диафрагмой.

На этой установке был исследован процесс разрушения при большом диаметре пятна (до 1 см) длинного ряда стекол и кристаллов. События, предшествующие разрушению, и сам процесс разрушения исследовались с применением теневой съемки (источником просвечивающего излучения служил жидкостный неодимовый лазер, дающий квазирегулярные импульсы свечения с частотой следования 25 - 30 кГц и с неплохим распределением интенсивности по пятну). Кроме того, при поисках эффектов, сопровождающих процесс лазерного разрушения, регистрировалась временная развертка эмиссионного спектра факела, возникающего при разрушении стекла, с применением спектрографа ИСП-30 и спектрохронографа СП-452. Спектры поглощения регистрировались с использованием в качестве источника просвечивающего излучения эталона яркости ЭВ-45.

Измерения порогов разрушения различных типов стекол показали, что при воздействии на стекло лазерным импульсом длительностью в одну миллисекунду (режим свободной генерации) разрушающим фактором является мгновенная мощность в момент разрушения, а не поглощенная к моменту разрушения энергия. Величина порога разрушения стекла К8 при диаметре пятна лазерного излечения 1 см оказалась

Чср Вт/см " киппроаиши' с1. ММ

Рис. 6. Размерная зависимость стекла К8 с разной обработкой поверхности равной Япор=(2-3). 10 Вт/см".

Было показано, что в объеме ст екла в моменты времени, предшествующие пробою, за десятки микросекунд до нег о, возникают наведенные неоднородности показателя преломления.

Было обнаружено потемнение стекла под действием УФ излучения факела. Потемнение связано с образованием центров окраски, наличие которых в стекле понижает порог его разрушения.

Различного рода испытаниям на лучевую прочность была подвергнута большая серия стекол, в состав которой входили стекла следующих классов:

- оптические многокомпонентные стекла основных типов: легкие кроны, кроны, тяжелые кроны, баритовые кроны, флинты, барит овые флинты, тяжелые флинты, особые флинты; экспериментальные многокомпо-нентные стекла серии ОГ1С;

- кварцевые стекла:

- оптические кристаллические материалы;

- лазерные стекла.

•'.У части из этих стекол были измерены размерные зависимости в диапазон диаметров пятен от 50 до 2500 мкм (при дальнейшем увеличении размера пятн пороги разрушения не менялись). Эти стекла следующие: ЛК1, ЛКЗ, ЛК5, ЛК6, К£ ТКИ, ТК16, ТК21, БК8, БК10, Ф1, Ф4. БФ12, БФ16, ТФI, ТФ5. ОФ1, КВ, КИ Размерная зависимость для стекла К8 была снята до диаметра пятна 1 см.

Для большой серии стекол был измерен температурный ход размерной зави симости в диапазоне-температур от комнатной до 725°К. Было показано, чт< лучевая прочность существенно зависит от температуры только при малых диамет рах пятен: при диаметре 100 мкм лучевая прочность уменьшается в некоторы: стеклах до 3 раз. При диаметрах 0,5 мм и более нагревание не сказывается н лучевой прочности стекол.

Лучевая прочность при большом диаметре лазерного пятна (1 см) была про мерена на следующих стеклах: стекло К8 (разрушение в объеме па поглощаюши: включениях и поверхностное разрушение); стекло особой чистоты, близкое п< составу к К8, но не содержащее неконтролируемых примесей (железа и пр.); 1: образцов специально разработанных стекол серии ОПС («особо прочные стекла»; I серию входили стекла ОПС 439.8852, ОПС 3005.8765, ОПС 3050.9167, ОПС 3035 ОПС 489ЭН8756, ОПС 4007, ОПС 3004.8771 и другие); тяжелые стекла ТФ 1, ТФ5 Ф1, Ф4, БФ16, ТК16; кварцевые стекла марок КСП, КСГ, КСГ-ОЧ, КСГ-П, КИ, К1 - р-облученное; кристаллический кварц; 1лР.

В результате работы было показано значительное преимущество стекла КСГ ОЧ, которое не разрушалось даже при плотности мощности на его поверхности 10 Вт/см2 (диаметр лазерного пятна - 0,8 см). Остальные материалы не имели пре имуществ перед стеклом К8. Было показано, что наличие пузырей в объеме стекл не влияет на его лучевую прочность. Из стекол серии ОПС только стекло ОПС 303' оказалось сравнимо в некоторых своих образцах со стеклом К8 по величине луче вой прочности. Однако разброс величин лучевой прочности этого стекла от образц к образцу был очень велик. Стекло КИ - р -облученное (и потому окрашенно возникшими в процессе облучения центрами окраски) при лазерном воздействи либо просветлялось, либо разрушалось при величине плотности мощности не выш 0,5.107 Вт/'см2. Стекло КСГ с примесью 'П, имеющее очень малый коэффициен температурного расширения, порядка 10"6, тем не менее обладало меньшей лучево: прочностью, чем такое же стекло без примеси. Стекло особой чистоты, аналогично по составу К8, но имеющее очень малое поглощение в УФ области спектра из-з очень малой концентрации примесей, также не обладало преимуществами пере, К8.

Были измерены также пороги разрушения лазерных фосфатных стекол КГС< 1621 ИКГСС 5941.

На основании этих работ кварцевое стекло КСГ-ОЧ было рекомендовано ка выдерживающее потоки до Ю8 Вт/см2.

2 Динамика начальных стадий и механизм развития по- ^ ерхностного оптического пробоя стекла |4,11 ].

Как уже отмечалось, характер основных экспериментальных закономерно-гей оптического пробоя стекол - размерной зависимости, зависимости порога робоя от длительности лазерного импульса, а также статистический характер азрушения - получают объяснение в предположении о существовании в стекле оглошающих неоднородностей, которые и инициируют лазерный пробой стекла, азмер неоднородностей предполагается малым, а показатель поглощения - боль-1им и, возможно, увеличивающимся под действием нагрева лазерным излучением. ; целом ряде экспериментальных работ было показано соответствие наблюдаемых езультатов модели поглощающих неоднородностей. Однако, прямого наблюдения влений, доказывающих инициирование пробоя на точечных образованиях, ранее е проводилось. Нами была поставлена работа по прямому обнаружению эффектов, вязанных с локальностью (точечностью) областей инициирования лазерного робоя при воздействии на стекло пучка большого диаметра. Поскольку развитие оверхностного оптического пробоя происходит лавинообразно с конечным сражением всей облучаемой площади, возможность регистрации локальных ффектов существует только при наблюдении за начальными стадиями развития птического пробоя. Эти исследования описаны нами в указанных работах.

С помощью скоростной киносъемки с импульсной лазерной подсветкой проедена фоторегистрация эффектов, происходящих на поверхности и в объеме текла на разных стадиях воздействия лазерного импульса. Кроме того, регистри-овалась временная развертка эмиссионного спектра факела с применением спек-рографа ИСП-30 и спектрохронографа СП-452. Спектры поглощения регистриро-ались с использованием в качестве источника просвечивающего излучения талона яркости ЭВ-45.

Показано, что при оптическом пробое поверхности стекла плазменному фа-:елу всегда предшествует появление перед поверхностью образца облака испарен-юго материала, имеющего, как правило, форму пузыря. При этом факел возникает 1 том месте поверхности образца, из которого ранее возник пузырь. Плотность ющности лазерного излучения, при которой возникает пузырь, намного, в 5 - 20 >аз, ниже порога пробоя стекла; место возникновения пузыря случайно (в пределах шерного пятна) и не привязано к наиболее интенсивной части пятна; иногда »дновременно возникает несколько пузырей. Начальный размер пузыря заметно меньше диаметра лазерного пятна. Скорость движения границ пузыря, составляю-цая в начале его существования 10 - 50 м/с, резко увеличивается с появлением факела вплоть до звуковой. Собственного свечения пузыря не зарегистрировано. В чех случаях, когда образец стекла облучатся лазерным импульсом с плотностью мощности несколько ниже порога разрушения, то пузырь образовывался, а факел --ют. На поверхности стекла в этом случае оставалась каверна диаметром 150-200 VIкм и глубиной 20-50 мкм. Оценка температуры газа внутри пузыря дата величину 3500°С-4000°С, что близко к температуре кипения 8Ю2 (3050°С). Давление внутри тузыря близко к атмосферному.

Исследования свойств образующегося пузыря позволили заключить, что поверхностный оптический пробой стекол начинается с испарения материала стекла вокруг поглощающего включения; дальнейшее развитие факела начинается из области пузыря. Оценка показателя поглощения неоднородностей приводит величине порядка 10 см"', а их концентрация на поверхности стекла составляе 0,05-0,25 мм"2.

Таким образом, впервые экспериментально показано, что поверхностный оп тический пробой сгекла начинается с испарения материала стекла из локальны: областей, максимальный размер которых не превышает десятков микрон, а показа тель поглощения существенно превосходит средний по стеклу.

4.3 Визуализация акустических волн, возникающих в объеме стекл! в процессе пробоя ¡20].

Известно,: что возникновение объемного разрушения связано с появление!*! значительных механических напряжений в объеме материала. Малая длительносп механического импульса, возникающего при пробое, и его значительная амплитуд; давали основание предполагать, что пробой может инициировать интенсивнук звуковую волну. Акустические характеристики этой волны на поздних стадиях е< '' распространения-' непосредственно связаны с энергией, выделившейся в очап разрушения; Для исследования эффекта упругой разгрузки материала после лазер Кого пробоя нами были разработаны методы регистрации бегущих упругих волн i прозрачных материалах. Основой одного метода была теневая съемка с визуализи рующей диафрагмой по схеме Теплера, основой другого - использование эффект; фотоупругости. В обоих случаях источником света для фотографирования бьи Частотно-импульсный лазер (использовался жидкостный неодимовый лазер излучающий квазипериодическую последовательность коротких импульсов, i преобразованием его излучения во вторую гармонику), а источником силовогс воздействия - импульсный лазер на стекле с неодимом. Оба лазера имели длитель ность импульсов 80 не.

Эксперименты показали, что в результате, многократных отражений от грант образца в нем по истечении некоторого времени после пробоя возникает сложна; картина стоячих упругих волн, затухание которой происходит в течение согет микросекунд (в зависимости от размеров оптической детали). Естественно, частоть установившихся стоячих колебаний должны принадлежать исходному спектр; волны давления, который однозначно связан с формой импульса давления, сформи ровавшегося в очаге лазерного разрушения.

Фотосъемка акустического последействия лазерного разрушения с задержко( 80 - 200 мке проводилась на стеклах КФ-4 с оптическим коэффициентом напряже ния (постоянной Брюстера), равным 2,95.10"12 м2/Н, и ТФ-5, с относительно низкш оптическим коэффициентом напряжения, равным 1,48.10"12 м2/Н. Применена устройств анизотропного затухания (нанесение пластилина на две противополож ные боковые грани образца) позволило выделить из сложной колебательно! картины систему плоских волн, распространяющихся между двумя параллельным! гранями образца. На них и были проведены измерения длин волн в спектре колеба ний.

Длина образцов в направлении измерения составляла 2-4 см. Эксперимен-проводился при фокусировании излучения на переднюю и заднюю грани образца, ; гакже в объем. При этом измеренная длина волны наиболее интенсивных составляющих спектра не изменялась от вспышки к вспышке и составляла примерно 4 мм.для стекла ТФ5 и 2 мм для КФ4,.что соответствует частотам колебаний эколо 0,5 и 1,5 МГц соответственно. Приближенные оценки амплитуды давления привели к величине в несколько меганаскалей.

4.4 Визуализация поверхности групповых скоростей упругих волн в кристаллах [20].

Возможность регистрации мгновенного положения фронтов бегущих упругих волн в прозрачных средах была нами применена для экспериментального получения поверхности скоростей упругих волн в кристаллах. Как известно, форма этих поверхностей очень сложна, теоретическое получение формы затруднительно, т.к. степень уравнения, описывающего такую поверхность, а, следовательно, и порядок поверхности, могут достигать 150.

При развитии исследований, описанных в предыдущем параграфе, нами были получены картины сферических фронтов бегущих звуковых волн при задержках в единицы микросекунд, которые в образцах стекла размером 4x2x1 см еще не успевали отразиться от боковых граней образца или отражатись не более одного раза. Нами проведены модельные опыты на стекле, где удалось зарегистрировать одновременно (при малых временах задержки) сферические поверхности групповых скоростей и волн сжатия (продольных), и сдвиговых (поперечных) волн. После отражения от границ образца каждый тип волны порождает оба типа - и продольные, и поперечные волны, поэтому число бегущих фронтов удваивается, но если задержки не слишком велики, картина расшифровывается без труда.

Развитие исследований в этом направлении потребовало модификации мето

TZSJ NTi.i jp вления точного времени задержки между разрушающим и просвечивающим импульсами в единицы микросекунд. Для этого пришлось заменить использовавшийся для просвечивания жидкостный неодимо-вы.й ' лазер, использование которого не позволяло добиться точной синхронизации разрушающего и просвечивающего импульсов, на азотный лазер, излучающий в ждущем режиме один импульс длительностью 20 - 30 не с длиной волны 334 нм. Разрушающий импульс по-прежнему создавался неодимовым лазером, работающим в режиме моноимпульса.

Рис. 7. Экспериментально полученная и рассчитанная поверхности групповых скоростей упругих волн для кубических кристаллов.

Затем модифицированная таким образом методика была применена к кубическим кристаллам, для которых поверхность групповых скоростей упруги волн известна, и было показано соответствие ожидаемой и полученной экспери ментально: фигур. Для экспериментов использоватись кристаллы КС1 размере! 3x1,8x0,7 см. После этого методика применялась к кристаллам любой симметрш Определение поверхности групповых скоростей упругих воли для кристалло произвольной симметрии представляет собой очень сложную задачу как аналити чески, так и экспериментально. Об аналитических трудностях сказано выше, экспериментальная методика сводилась обычно к тому, что из исследуемогт кристалла вырезали столбики но некоторым направлениям и в этих столбика: определяли групповую скорость упругих волн Возможность получения общеп вида поверхности скоростей упругих волн I! кристаллах любой симметрии бе: трудоемких операций выпиливания столбиков по тем или иным направления!* позволяет упростить решение многих задач кристаллооптики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.M. Бонч-Бруевич, Е.И. Балашов, А.П, Гагарин, A.C. Захаров. В.II. Котыле Оптические свойства факела, образующегося при взаимодействии лазерно! пучка большого сечения с веществом, Препринт ФИ АН, 1972, № 41, стр. 26.

2. A.M. Бонч-Бруевич. Е.И. Баташов, А.П. Гагарин, A.C. Захаров, В.Н. Ко тыле О.И. Калабушкин, Экспериментальное исследование экранирования в пар£ алюминия. ЖЭТФ, Письма в ред., 1973, т. 17, № 7, стр. 341-344

3. A.II. Гагарин, В В. Дружинин, Применение светопровода в оптической схе\: скоростного фоторегистратора, Приборы и техника эксперимента 1973. №3. ст] 260.

4. А.П. Гагарин, Ю.С. Гапешко, В.Г. Докучаев, С.В Маслеников, Исследовали свойств плазменного облака, образующегося под действием миллисекундног лазерного импульса на стекло. IV Всесоюзная конференция но физике низке температурной плазмы, аннотации докладов, 1975, Киев, т. 1, стр 95.

5. А.П. Гагарин, В.В. Дружинин, H.A. Раба, C.B. Маслеников, Разрушающе действие теплового излучения лазерной эрозионной плазмы в условиях развито го экранирования. Письма в ЖТФ, 1975, т. 1, № 7, 311 -315.

6. А.П. Гагарин, H.A. Лосева, Формирование лазерного пучка с помощью рассей вателя! Письма в ЖТФ, 1976, т.2, № 4, 161-165.

7. А.П. Гагарин, Л.Б. Глебов, В.Г. Докучаев, Л.Б. Попова, М.Н. Толстой, Запис изображения в далекой УФ области спектра. Письма в ЖТФ, 1976. т.2. № 2i 1000-1003.

8. А.П. Гагарин, И.И. Иванова, С.Д. Пудков, М.Н. Либенсон. Изменение отражаю щих свойств металла под воздействием мощного светового потока. ЖТФ 1977, т 47, № 7,;.1523-1528.

9. А.П. Гагарин, Р.Д. Зиганшин, Многоканальный сильноточный импульсны* коммутатор. Приборы и техника эксперимента 1977, № 2, 133-134.

10.А.П. Гагарин, Л.Б. Глебов, В.Г. Докучаев, Потемнение стекла под действие\ излучения эрозионной лазерной плазмы. Квантовая электроника 1977. т.4, № 9 1996-2000.

11.А.П. Гагарин, Ю.С. Гапешко, В.Г. Докучаев, C.B. Маслеников, Динамик; развития поверхностного оптического пробоя стекла. Письма в ЖТФ, 1977, т.З №16,955-961.

12.А.П. Гагарин, Л.Б. Глебов, О.М. Ефимов, О.С. Ефимова, Образование нентроЕ окраски в силикатных стеклах при нелинейном поглощении мощного УФ излучения. Физика и химия стекла, 1979, т.5, № 3, 378-380.

1.3.А.П. Гагарин, И.Т. Синцова, Отражатель для лазера и способ изготовление керамики для отражателя. Авторское свидетельство № 689494, от 31.01.1979.

14.А.П. Гагарин, А.Г. Акимов, Действие лазерного облучения на металлические зеркала в окислительной атмосфере при потоках, не вызывающих разрушения Тезисы докладов II Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». Ленинград 1979, стр. 362.

37 V^

А.Г. Акимов, A.M. Бонч-Бруевич. A.II Гагарин, M.П. Либенсон. B.C. Макин, С.Д. Пудков, Влияние элементного состава на оптические свойства сплавов при импульсном нагреве излучением. Письма ЖТФ. 1980. т.6, № 16, 1017-1021.

А.Г. Акимов , А.П. Гагарин, B.C. Макин, С.Д. Пудков, Исследование состава окисных пленок, образующихся в результате импульсного нагрева металла. ЖТФ, 1980, т. 50, № 11. 2461-.2463.

А.Г. Акимов. А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев. M.II. Либенсон, С.Д. Пудков, Способ изготовления зеркал из сплавов металлов. Авторское свидетельство № 989872 от 14.09.1982.

A.П, Гагарин, Л.Б. Глебов. В.Г. Докучаев. Ü.M. Ефимов, Л.Б. Попова, М.Н. Толстой, Влияние поглощающих примесей на оптический пробой силикатных стекол высокой чистоты. ЖТФ 1982, т.52, № 1, 101-104.

A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, Г'.А. Котов, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, Г.Д. Шандыбина, Лазерная активация термохимических реакций на поверхности конденсированных сред. «Поверхность» 1982, № 3, стр. 13-24. .А.П. Гагарин, С.И. Светличная, А.К. Синопальников. Фоторегистрация начальных стадий распространения акустического импульса в прозрачных средах. Физика твердого тела 1982, т. 24, № 4, 1253-1255.

А.Г. Акимов, A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, П.А. Зимин, И.Н. Иванова, М.Н. Либенсон, B.C. Макин. С.Д. Пудков, Связь толщины и состава окисных пленок на титане с коэффициентом поглощения при лазерном облучении в окислительной атмосфере. Изв. АН СССР, сер. физ., 1982, т.46, №6, 1177-1185.

А.Г. Акимов, А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, B.C. Макин, С.Д. Пудков, Исследование состава окисной пленки, образующейся при импульсном нагреве нержавеющей стали. Поверхность 1982, №2, 141-144.

А.П. Гагарин, И.Т. Синцова, Лазерные отражатели из керамики. Журнал прикладной спектроскопии 1984, т.41, №2, 294-296.

А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, С.Д. Пудков Возможность улучшения оптических свойств и термостойкости зеркал из сплавов металлов при избирательном окислении. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по перезонанспому взаимодействию оптического излучения с веществом, Вильнюс 1984, стр. 365. .А.П. Гагарин, В,Г. Дорофеев. П.А. Зимин, B.C. Макин. O.A. Подсвиров, С.Д. Пудков. Способ изготовления металлических зеркал. Авторское свидетельство № 1124605 от 15.07.1984,

А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, С.Д. Пудков, Изменение отражательной способности и термостойкости сплавов металлов при избирательном окислении. Изв.АН СССР, сер. физ., 1985 т.49, № 6, 1221-1223.

A.M. Бонч-Бруевич, В.В. Баженов, А.П. Гагарин, В.Г Дорофеев, М.Н. Либенсон,

B.C. Макин, С.Д. Пудков, Особенности нагрева металлов интенсивным излучением в окислительной среде. Изв.АН СССР, сер. физ., 1985, т. 49, № 6, 12141217.

A.M. Бонч-Бруевич, В.В. Баженов, О.Г. Бузыкин, A.B. Бурмистров, А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, М.Н. Коган, А.П. Кучеров, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д.

38

Пудков, В.М Уськов, Исследования процессов энергомассообмена при ;нагреве металлов интенсивным светом. ЖТФ 1987, т. 57, № 2, 279-285.

29.A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, И.А. Дорофеев, М.К. Коченгина, ЮТ Пестов, С.Д. Пудков, Исследования локального нагрева материалов в газово потоке, Поверхность 1987, № 12, 124-127.

30.A.M. Бонч-Бруевич. А.П. Гагарин, И.А. Дорофеев, М.Н. Либенсон. С.Д. Пудкси Парофазный механизм лазерного окисления металлов. Письма ЖТФ 1987. т. 1." № 18,1.093-1097.

31.А.Г. Акимов, А.П. Гагарин, И.А. Дорофеев, В.Г. Дорофеев, Л.П. Казанский. С.Д Пудков, В.Ф. Широков, Нестационарное высокотемпературное окисление по верхности алюминия и его сплавов. Поверхность 1988, № 6, стр. 75-79.

32.А.Г. Акимов, А.П. Гагарин, И.А. Дорофеев, В.Г. Дорофеев, Л.П. Казанский. С.Д Пудков, В.Ф. Широков, Нестационарное окисление алюминиевого сплава npi импульсном нагреве. Поверхность ¡1988, №7, стр. 147-149.

33.А.Г. Акимов, Л.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, Л.П. Казанский, С.Д. Пудков, В.Ф Широков, Особенности поведения, примесных компонентов в оксидных слоя? при импульсном лазерном воздействии. Известия АН СССР. сер. физ., 1989 т.53, №3, 502-505.

34.А.Г. Акимов, А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, H.A. Мельникова, С.Д. Пудков Способ изготовления металлических зеркал для ИК области спектра. Авторская заявка № 4803710, положительное решение от 19.03.1990.

35.И.В. Алешин, A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, Ю.С. Гапешко, В.Г. Докучаев, Я.А. Имас, А.И. Лапин, Р.К. Леонов, П.А. Ямнольский, Оптический пробой кварцевых стекол, Тезисы докладов Ш Всесоюзного Совещания по физике взаимодействия оптического излучения с конденсированными средами, 1974, Москва, 12-13.

36. А.П. Гагарин, И.А. Дорофеев, М.К. Коченгина, Ю.И. Пестов, С.Д. Пудков. Авторская заявка № 3147653.11оложительное решение от 13.02.1987.

37.А.П. Гагарин, В.Ф. Ефимов. Н.Г. Кокодий, В.Н. Тимошенко. Градиентный калориметр. Авторское свидетельство № 1400245 от 29.04.1987.

Заключение

Результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными за-дчами, сводя гея к следующему:

I. Создан лазер и измерительный комплекс к нему, позволяющие прово-ить исследования воздействия лазерного излучения на конденсированные среды с аракгерным масштабом воздействия порядка сантиметра. В режиме свободной лтерации этот лазер ФЛ-4 способен излучать до 25 кДж при длительности импуль-а 1 мс. Возможность проводить эксперименты такого масштаба впервые позволила пределять пороговые величины того или иного лазерного воздействия (разрушечия, плавления, испарения и т.п.) без необоснованной экстраполяции размерной зависимости в сторону больших диаметров, а путем непосредственного измерения.

2. Исследованы явления, возникающие при крупномасштабном воздействии лазерного излучения на металлическую преграду, низкопороговое формирование поглощающего слоя в облаке продуктов разрушения преграды и дальнейшее, после формирования поглощающего слоя, разрушение преграды тепловым излучением поглощающего слоя. Полученные результаты дшот основание считать, что в условиях крупномасштабного воздействия, т.е. в условиях, когда разлет продуктов разрушения можно считать плоским, основные процессы, сопровождающие воздействие излучения большой плотности мощности на металлы, сильно отличаются от таковых при точечном разлете продуктов . разрушения. Указанное отличие приводит как к существенному понижению порога образования непрозрачного экранирующего облака, так и к возникновению теплового потока из лого облака, достаточного для дальнейшего разрушения преграды.

3. Исследованы особенности воздействия лазерного излучения на металлы на воздухе, т.е. разные стороны окислительных процессов, специфичных для лазерного воздействия. В частности, исследованы свойства окисных пленок, образующихся при лазерном воздействии на металлы в присутствии атмосферы. Определен химический состав этих пленок и его изменение с глубиной, сопоставлены химические и оптические свойства отдельных, отличающихся составом, т.е. степенью окисления, слоев, из которых состоит окисная пленка. Экспериментально подтверждена эффективность совместного - импульсного и непрерывного -лазерного воздействия различных длин волн на металлы в целях инициирования самоподдерживающейся экзотермической реакции. Показана возможность избирательного окисления при лазерном воздействии на сплавы в воздухе. В некоторых случаях, в частности - для алюминиевой и бериллиевой бронз, хромоникелевы» сталей, этот эффект позволяет модифицировать зеркальные поверхности таким образом, что тонкий поверхностный слой метатла оказывается обогащен хорошс отражающей компонентой - медью или никелем, в связи с чем имеет повышенны? относительно исходного сплава коэффициент отражения, в го время как элемент-добавка (алюминий, бериллий или хром) оказывается переведен в тонкую окиснук защитную пленку, что приводит к увеличению эксплуатационной стойкостт отражающей поверхности. Наконец, исследования лазерного окисления, проводимые в регулярном воздушном потоке, с использованием аэродинамической трубы дали возможность определить особенности развития окисления в зависимости от характера обтекания и от расположения лазерного пятна относительно передне! кромки образца.

4. Исследовано разрушение образцов оптического стекла при крупномас штабном воздействии на них лазерным излучением. Показано, что одно из сами: прочных оптических стекол - К8 - при крупномасштабном воздействии имсс порог, не превышающий (2-3). 107 Вт/см2. Определены размерные зависимости основных сортов оптических стекол и стекол, специально синтезированных в филиале ГОИ как оптически прочные, до диаметров 5-8 мм, где зависимост порога разрушения от диаметра практически исчезает. Определена роль различноп поля леЛектои. пстпечаютттихся в оптических стеклах большого диаметра, н у'чевую прочность. На основании наших измерений разработано особо-эочпос оптическое стекло КСГ-ОЧ, выдерживающее потоки 108 Вт/см2. Исследо-ши процессы, сопровождающие лазерное разрушение стекол: возникновение введенных неоднородное!ей показателя преломления, потемнение стекол в гзультате образования центров окраски под действием коротковолнового облуче-тя эрозионным лазерным факелом, образование поверхностного матирования при зверхностном либо разлет осколков при объемном разрушении. Показано, что при птшомасштабном воздействии поверхностное разрушение стекла всегда начинайся с нагрева локальных поглощающих неоднородностей на или вблизи, поверхно-чи стекла, испарения материала вокруг этих неоднородностей, и возникновения эобоя в образующихся парах. Показано также, что возникновение оптического юбоя в стекле порождает в нем механические колебания, частота которых около 1 ГГц.

5. При исследованиях механических колебаний, распространяющихся в :еклах при их лазерном разрушении, был разработан метод регистрации, бегущей тругой волны на начальных стадиях ее существования, т.е. на таких стадиях, когда эойденное этой волной расстояние от точки ее инициирования сравнимо с разме-ши образца. Этот метод был применен затем для регистрации поверхности )упповых скоростей в прозрачных средах. Применительно к стеклам.регистриро-1лась, естественно, сферическая поверхность, а применение метода к анизотроп-ым средам, в частност и - к кристаллам, позволило получать поверхность группо->ьх скоростей упругих волн в кристаллах любой симметрии. аким образом, результаты проведенных исследований внесли существенный вклад формирование представлений о лазерном разрушении металлов и стекол при рупномасштабном воздействии, т.е. при таком диаметре воздействующего лазер-эго пятна, когда дальнейшее его увеличение уже не вносит существенных изменс-ий в результаты воздействия. Самостоятельный интерес представляют конкретные гзультаты, позволяющие заключить, что при крупномасштабном воздействии все роцессы развиваются при гораздо меньших потоках, чем б случае точечного эздействия, а также исследования лазерного окисления металлов, позволившие эставить представление об этом явлении. Проведенные исследования послужили ундаментом для выбора наиболее эффективных режимов лазерного воздействия а металлы, для разработки оптически наиболее прочного стекла КСГ-ОЧ и для азработки технологии получения высокоотражающих металлических лазерных :ркал с высокой стойкостью.