Исследование некоторых физических характеристик процесса взаимодействия стационарного инфракрасного лазерного излучения с природными минералами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

од

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

институт «галки

Специализированный Совет д 01.94.08

на правах рукописи

Абдылдаев ОбозСек Талипович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЦИОНАРНОГО ИНФРАКРАСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРИРОДНЫМИ МИНЕРАЛАМИ

специальность 01.04.14 ~ Теплофизика и молекулярная

физика

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Бишкек - 1996

Работа выполнена б Институте фетиш: Национальной Наук Киргизской Республики и на ка£«дре физической электроники Ныргоснацуниверситета

Научные руководители - доктор физика - математических наук, < академик ■ Иеенбаев Ж. Ж.

I

кандидат физико-математических наук, доцент . Чокоев Э. С.

ифнциальпш оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кутанов А. А.

кандидат фиаико-математически,; наук, старший научный сотрудник Хайдаров К.

Ведунья организация - Кыргызский технический университет

Заката состоится ¿¿¿'¿с/А._1996г. в часов «а

иаоедании специализированна го Соьага Д 01.94.08 по присуждена*} ученых степеней доктора и кандидата наук в Институте физики НА11 Киргизской Республики: 720071, г. Бишкек, проспект Чуй, 265 а.

О диссертацией можно ознакомиться в, Центральной научной библиотеке Национальной Академии Наук Кыргызской Республики.

Автореферат разослан " ^ " ¿¿/^сЯ*_1996г.

УчьныЛ секретарь Специалиаироьаиного Совета, к. ф. - ь. н.,

старший научный сотрудник ^-¡решшьа

0И1ЛЯ лАРЛКТ ЕГИСТ IffiA РАБОТ 11

Актуальность работы. Широкие перспективы прл'<еиеиип лазеров в научных и производственны^ целлх стимулируют шпенсивные исследования теплофизичеекнх процессов, протекающих с song взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с веществом. Характерной чертой развития лазерной технологии является расширение круга обрабатываем« материалов и появление новых технолог.;ч<эских применений Ж

Интерес к исследованиям механизма вэаимодействия ЛИ с нагревом, в частности с диэлектрическими материалами природного происхождения, какими являются природные минералы (Ш), обусловлен поиском новых тепловых технологий их обработки. Надеяные знания о механизме взаимодействия концентрированных потоков энергии с материалами, имеющими такие специфические физико-химические свойства как ПМ, к настояпрму времени отсутствуют. Действительно, физические свойства этих веществ во многом принципиально отличаются от свойств металлов. Например, ГМ (мрамор, гранит, известняк и др.) имеют полукристаллическую структуру, низку» тепло-и температуропроводности, слоотшй химико-минералогический состав, отличаются своей твердость» и хрупкостью.

К настоящему времени установлено, что при лазерной облучении в этих веществах происходят разнообразные явления: фазовые переходы, химические реакции, образование лазерного эрозионного факела (7ГЭФ) и разрушение структуры. Однако, степень и характер разрушения природных минералов лучом лазера зависят от многих факторов: их исходных физико-механических свойств, химиш-минерального состава, степени неоднородности, структурно-текстурных особенностей. С другой стороны интенсивность этих процессов определяется --чергетическими параметрами воздействующего J3J (уровнем мощности, степенью ее концентрации на поверхности материала, пространственно-временной стабилизацией). Т.о., есть вполне очевидная необходимость фундаментальных исследований механизма взаимодействия ЛИ с ПМ, актуальность которых в прикладном значении определяется поиском альтернативных способов их обработки.

Лель работы

Исследовать процесс взаимодействия стационарного инфракрасного (ИК) лазерного излучения е природными шшералами, в частности, определить основные физические характеристики и эшкпо-«ерности механизма воздействия лазерного излучения на природные минералы, а также параметры обработки и теплового раэрукешш природных минералов"при воздействии лазерного излучения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следуют® вадачи:

- разработать и создать экспериментальную установку и методики для проведения комплексных оптических и теплофиаических исследований воздействия ИК лазерного излучения на природнкз минералы;

- исследовать динамику теплового разрушений природных минералов воздействием стационарного ИК лазерного излучения;

- определить влияние энергетических параметров ИК лазерного излучения на динамику развития каверны (фазовая поверхность испарений) в природных минералах;

- выяснить мекакизм образования лазерного эрозионного фапола на поверхности природных минералов при стационарном ИИ облучении и исследовать его акранируюзде свойства >

Науущ;^ новизна работы:

- обнаружено, что ирашр вблизи длин воля 1 мкм при отсутствии фазовых переходов слабо поглощает лазерное излучение и ведет себя как смльно рассеивающая, полупрозрачная среда;

- экспериментально изучена динамика развития каверны при воздействии стационарного Ш лазерного излучения на природные минералы. Показано, что каверна в стационарном рейте облучении углубляется в материал с непрерывно падад^й скоростью, а ее форма зависит от теплофизических свойств природных минералов;

- показано, что основной механизм значительной экранировки ЦК лазерного излучения лазерным эрозионным факелом связан с процессом его рассеяния на мелкодисперсных частицах;

- разработан и создан оптический метод определения относи-

толыгоЛ концентрации рассеивает?« центров d лазерном эрозионном фт-еле.

Прмстическая ценность работы: «

- разтгш-в з работе методы эгсеперкменталыгых исследований позволили установить осношшо закономерности фииических процро-con, протекающих в ооне вааншд'зпстпип ИК лазерного иялучешт с природными минералами;

- показано, это при тепловой обработке природных к-ннорвдов основным параметром лазерного луча, определяк^тм эффективность процесса разрушения, является его мощгасть. Требования к интенсивности пучка нэ столь яеетки, как в случае обработки металлов;

- установлено, что иа-за больших диссипативних потерь анергии в гоне обработки прямые методы лазерной резни природных минералов являются малоэйективньши, однако не исключены косвенные методы их разруиения.

На зат-иту выносятся:

- результаты экспериментальных оптических и теплофизических исследований процесса взаимодействия стационарного ИК лазерного излучения длиной волны 1,06 и 10,6 мкм с природными минералами;

- установленные законошркости влияния на форму н динамику развития каверны как энергетических параметров воздействует*;го лазерного излучения, так и состава природных минералов;

- результаты экспериментами!« оптических исследований процесса формирования лазерного эрозионного факела на поверхности природных иинералоо при воздействии ИК лазерного излучения;

- установленные закономерности процесса экранировки лазерного излучения эрозионным факелом, а такие разработанный оптический штод определения относительной концентрации рассеиЕатязга центров в свободно развивагацэмея над поверхностью облучения факеле.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались • na I и II Всесоюзных семинарах "Оптические методы исследования

потеков" (iSaaocnöHpoK, 1QBC, 1991 г. г,), иа IV Всьсоганой конференции "Еашшодгйстьнс- излучения, плаэыоиных и олы:трошшх потоков с Еещьсувоц" (ffpynae, lflöü г.), иг ! Реснублшш-ской * конференции молодш ученик и преподавателей (Сруиве, IGjü г.), на II BceccsBiioa конференции "Проблему физики прочшетн и пластичности полимеров" (Дуванбе, 1930 г.), ¡¡а Всьсошнон ш-жнаре "Лазерная техника, и технологии" (Троиц«, ССОР - 1087,19КЗ г. г.), на Всесоюзном семшэре "ймэииа ы химия обработки материалов концентрироваяшлш потокам:! энергии" (Уосква, ИМЕТ Ali CCJCP-ia&ü, 1090 г. г.) и на научных сешнарах Института фиаики HAII К? и £иаико-технического факультета Ш1У.

Публикации. Осноаниз положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Orpyinypa к обгец райотц. Faöo-ra состоят иа введения, четырех глаЕ, заключения. Обща объем работы 119 страниц, из которых 29 составляет рисунки, G таблиц», список литературы из 85 иаишаований.

Основное содержание работ«.

В> рпеденни обоенэваш актуальность теш и вьйор объектов исследования, сформировали цзль диссертационной работы, ос-'иовииз жмюкзиия вишеиыиа на вшциту, отшчеиы научная домааь н пршстичесюи! ценность получанных результатов.

Первая глава содержит обзор литературных данных о фланка-иеханическлх свойствах ГШ п их классификации. Акцентировано внимание на особенностях их лазерного раарувэния, терг,идица>.гл-часкоы состоянии JI3S, штодах диагностики тепло4й&ич<зс|;ии про-цессоп, происходяиих ь зоне облучения.

Ш классифицируются в зависимости от природы их рроисховде->шя, а систематизируются по химико-геиетическии принципам. Например» силикатниэ и алажэсиликатные иииералы хар^сгеризуигси довольно высокой твердостью, а 1сарбонатиио минералы объединяет относительная мягкость. Каздцй минерал в ИК области рнектра обладаете емки характерна для него спектром поглощения, у мрамора и мраморных известняков, основными компонентами киторых полнится C-nCO-j (кальцитовье мрамора) и (доломитовый ырамо-

ре), спектры поглощения леяат в диапазоне вили 7-М шм /1/. В кремнрземосодериагдх (ЗЮ2 ) данералах заметное поглощение

происходит за счет колебаний 31-0 (800........13Г0 см"') /2-3/.

С другой стороны, поглощение НК излучения такте происходит на иеоднородностлх структур» ЦМ, что индуцирует я его массиве термические напряжения. Пасмеднее способствует распирению первоначальных трещин в Ш1 и их расколу при нагреве до температур теплового разрушения. Практически всем ПИ присущ нквготемператур-ные фазовые превращения, вызывающее резкое падение их упругости, в конечном счете и прочности, что создает благоприятны} условия для дальнейшего механического разругалип материала

ЮФ оказывает существенное влияние на характер вза;:иодз*ст-вия ЛИ с П)1. Теплофианческиэ характеристики эрозионного факела зависят от физических свойств облучаемого материала и энергетических параметров самого ЛИ. В ЛЭД находятся кондексироваяние частицы, концентрация которых, правило, возрастает с умень-гаением теплопроводности материала. Наличие в факеле частиц конденсированного зекретва в определенной степени тормозит рост температуры его плазмы, вследствие расхода части энергии ЛИ на их нагрев.

Вторая глава посвяпзена методике проведения экспериментов и исследованию оптических и теплофизичесикх процессов воздействия инфракрасного Л! на ГЫ. В ошетах использованы промышленные лазерные установки следующих типов: твердотельный лазер на кристалле ЛИГ и газовый СО ? лазер.

Для изучения коэффициентов отражения и пропускания ГШ в ре-жида отсутствия фазовых переходов была разработана и создана экспериментальная установка, изображенная на рис. 1. В опытах излучение лазера (1) фокусировалось на поверхность мисени (3) линзой (2) с фокуснш'рассгоянием 10 си Измерение интенсивности как прошедщэго 1с сквозь толщину мишени, так и отраженного 1Л от поверхности излучения проводилось с помощью полупроводникового фотодиода ФД-24К (5), который перемешался по окружности с фиксированной угловой скоростью на расстоянии 11 см от зоны облучения. Для селекции фонового излучения применялся светофильтр (4) прозрачный на длине волны 1,06 укм. Регистр-пуст ■ электрического сигнала от фотодиода осуществилась с покювф»

двухкоординатного самописца типа "Экдиы'Чб), lu получении^ г<кс-перимеитальнш данным бази построены в тшфной систем координат (рис.2) индикатрисы рассеяиия (кривая 1) а 1л (2). Если бы лазерное излучение ке рассеивалось на иолащяш-таллической структура мрамора, то индикатриса проведшего излучения имела бы вытянушй вид, как у вещзств ионокристаллической структуры. Это говорит о диффузном характере процесса рассеянии иалучения длиной волны 1,06 ыкм в мраморе. Причем профиль проведшего скеозь толщу мрамора излучения является осесимыетричным относительно направления ЛИ, что еще раз свидетельствует об объемном характере процесса рассеяния. Амплитуда индикатрисы отраженного иалучения намного превышает амплитуду индикатрисы прошедшего, что говорит о сильном рассеянии ЛИ поверхностью мрамора. При использовании в экспериментах С02 лазера процесс диффуаиого рассеяния Ш внутри мрамора не наблюдается. Падайте

Рис. 1. Схеш экоперимеНталь-ной установки.

Рис. 2. Индикатрисы прошедшего сквозь мрамор (1) и отраженного от его поверхности (2) лазерного излучения.

ИаДУЧеиие длиной полны 10,6 шеи свойственно заметнее поглощает-

□л поверхностным слоем мрамора и над аоной облу'емкт легче образуется ЛОЗ. При устойчивом реялма испарения Я,4 образуется и перемещается п глубь каверна, п р е д с т ая ля штая собой фазовую поверхность испарения. 1

В третьей главе излагаются и обсулдаются результаты агагпе-риментального исследования динамики развития глперны на поверхности Ш при воздействии ЛИ. Для измерения нчранетроп каверны использовали специально разработанный микрометр о точностью не худа ±102. Экспериментальный материал получен путем статистического накопления и сравнения данных при разных врстанах экспозиции и интенсивности ЛИ. Быявленн данные характеризующие зависимость параметров каверны (глубина , диаметр, форма и скорость углубления ) от длительности воздействия и мощности ЛИ (рис. 3). Как видно из графика, для всех значений интенсивности: 1,4-Ю5" Вт/см2 (кривые 1 и 4), 1,1-10* Вт/см2 (2) и 7,1 • 10^ Вт/см2 (3) при больших временах экспозиции лазерного облучения наблюдается прекращение роста глубины каверны Ь, что также наглядно иллюстрируется временной зависимостью скорости углубления каверны (4). Наиболее вероятной причиной этого явления является следующее: с ростом времени экспозиции возрастает плокэдь каверны и увеличивается теплоотвод энергии в массив мишени за счет теплопроводности сатериала. Кроме того при взаимодействии ЛИ с ЛЭ5 происходит потеря его энергии за счет поглощения и рассеяния. Поэтому, прекращение роста глубины каверны наступает при установлении баланса мелду постулаюяей лазерной энергией и выше названными каналами диссипативных потерь анергии ЛИ.

Как показало изучение поперечных срезов каверн в кипени из мрамора, их форма близка к параболоиду вращения. Путем подстановки экспериментальных значений Ь и <1 в уравнение параболоида врапрния были вычислены значения радиуса кривизны вершины каверны (рис.4, кр. 2). Ноино отметить, что в начальный момент облучения ( до 3 сек) в мраморе происходит интенсивный выброс крупных частиц осколочного типа, который не связан с процессом испарения. Поэтому, стабилизация формы лунки происходила при

(

Т^мм/с

Ю го

о. оч

Л,мм О.В

ю го зо

о

Рис. 3. Временные зависимости изменения глубины каверны (1-3) и скорости ее углубления (4) под действием лазерного излучения.

Рис. 4. Временные зависимости изменения диаметра (1) и радиуса кривизны вершины (2) каверны при лаверном облучении.

установлении устойчивого режима испарения. С возрастанием времени экспозиции лазерного облучения , гак диаметр каверны быстро достигает определенного размера и далее практически шло меняется (кривая 1).

Было проведено подробное экспериментальное исследование влияния энергетических параметров ЛИ на процесс развития |саьерны в мраморе. Интенсивность излучения (плотность потока ыощюсти) варьировали двумя способами. В первом случае изменилась мощность лазера, в другом-размер пятна излучения на поверхности мишени. На рис. 5 представлены типичные зависимости мгновенных вначений параметров каверны от интенсивности ли. Кривые 1 и 2 получены при варьировании пятна излучеиия с! (р = юо Вт), а кривые 3 и 4 при изменении мощности Р ((1 = 0,4 мм). Как еидно на рисунка, параметры каверны практически не зависят от размера пятна излучения, а определяются только его мощностью. Причем диаметр каверны практически не зависит от размера пятна излучения н ьсагда больше его. Сравнительный аналиа действия неодиисвого и С02 лазеров равной мовдюсти, но равной интенсив-

У 2

ности 1-10 Вг/см также наглядно иллюстрирует,

«

-

1__1-

1.5

05

71-10%/смг

что глубина каверны, в оспояном определяется мощностью ЛИ. Увеличение интенсивности путем лучшей фокусировки луча не приводкг к какому либо заметному росту глубины ют-верны. На осноЕе модели распределения лазерно и'пуциропаннннх температуртге пол: Л в массиве материала /4/ былч гхппена обратная задача углубления каверны в форме параболоида вращения. Палученные расчетные данные согласуется с результатами эксперимента

Рис. Б. Зависимости мгновенных значений параметров каверны (15-я сек после начала облучения) от интенсивности ЛИ.

Четвертая глава посвящэна результатам исследований образования ЛЭФ при стационарном облучении и его экранирующих свойств. Изучено факелообраэование при воздействии неодимового и СОг лазеров на ПМ В мраморе интенсивный выброс частиД крупного размера происходит до образования ЛЭ1 с устойчивым режимом испарения. Скорость движения частиц, оцененная по фоторазверткам ЛЭФ, составляет 2-20 м/сек, что превышает скорость двияёния плазменного фронта факела. Временные фоторазвертки процецса истечения ЛЭФ при взаимодействии ЛИ с гранитом показывают, что в начале происходит термическое разложение мишени и выход газообразных продуктов со скоростью 0,5 м/с. В кратере гранита образуется слой жидкости стеклообразной массы, который препятствует выбросу из зоны облучения большого количества конденсированных частиц.

Исследование механизма взаимодействия ЛИ с ЛЭФ мрамора, гранита и известняка показало, что индикатрисы рзссеяного фжелоч излучения осесимметричны (рис. б). Если экстрэнолиродать экспе-

ркмздтыьио намеренные оивчзнкя рьсооякного иадучешш 1Г <2) и

80

О

О 20 ЩР11

40

50 0

30

5 5-79 II 13

Ь Ш^Зт/слг-

1

1"* Р,и, тЬт'ск2

Рис. 5. Типичные индикатрисы Рис. 7. Зависимости доли огракеи-иалучения плазмы эрозиои- ного излучения от интенсивности ного факела (1) и рассеянно- ЛИ I: Р=130 Бт и разные с] (1);

проинтегрировать ш по полусфере, то доля рацсояиого ¿лкчлон ш составит ~30Х от падаащэй цовдости. В то время как доли сойст-ьеьного калуч2Е::!Я факелом 1Р (1) не превышает 6Х, которую тгнезд можно рассь'-мри^Еть как рассешше онергии на п<5регалучин»;з. Вероятно, доля анэргии ЛИ, поглоздзшй плазмой факела, ке ьац^о-го превшает зту взличину. Тем более, что вростраксгк?Ы!ое ре.%-реваиие установки не позволило учесть вклад в тя&слу 1р енлоаного излучения поверхности кратера. Как видно, ь инязи случае основный каналом потерь экиргаа ЛИ на эрозионном бг&ггхз является процесс его рассеянна, а не пэглоцэнии, что та*01.з г.зг.т-веркдшгт широкая индикатриса рассеянна. При сильном когло^зния она бы отсутствовала» Т.о., основмш кэхашгамои ослабгггаш падш-^рго ЛЫ на является процесс рассеяшш излучения ш шж-дкеперенш частицах которыз, в болькои количестве цраеуъствуи? в фсиадлз. Происховдешю частиц обусловлено как выбросом с облу-

го Л11 (2).

(1=0. 4 ми и равные Р (2).

чаемой поверхиоптв гвишь ркя'^еи и оскап'азз вег*!сгяа, '"сп и яондеисвцней яаг-оз со виеглах 2?чзиот<?и:эре.гурких «онад Нроцасс ;)1Йэя»-ка!:ого рзссвп^пя пээучгняя »••жалкепзроиьлд! частицами ЛЭ8 приводит п тш/, что яэг.'Р&;а?ао палаюпей па ¡кг-.знъ рвако ушвы-ао^еп. Прогзго.ул? скралрадо; квпаракдеЗся пов^р/шсти оролукгеыя

Просядеин кшвдодоимо кссаэдопашш по ¡ттит нк?енс1*ькое?н (I) ?М 1«а дел» раесаяного кзхуч-ж-щ (ц ) от ЛЕЗ ¿гр'&яра, ками-няка и гранита. йл риг. 7 вредоаяздкы вазтпх-ста ^ от интенсивности I ЛИ для случал мрамора. Кривая 2 соответствует тому случая, когда аарьирозалл мсадость У, а кривая 1 случаи изменения доаме?ра ^шального пиша луча д. Интенсивность Лй (1- 4Р/Ш2 ) варьировалась кш-огением вмходиой мощности Р и с! дпаштра фокального пятна лул. Р/я ЛЭ* ».¡ргтра и »гавзптнака ивдоиеике обеих величин аеехтю йякзет на >1 . В первом случаэ, когда (й-сопЩ) падение потерь дЗуслэвлено уменьшением количества • рассеивая*-?» частиц а факаго. Гост релачкм; ^ во втором случае (Р«сопз1), по-вкдимаьу, евляг?! с увеличением пяо'.--а5". ваая -(»действия с факелом, на которой пролете»» расселнкч ¡21 Пак показали осенеркмэнш а случае гргшлта величии ^ ааоксде, а основном, от «оазюстм й слабо реагирует «а ивтнеииэ диаштра пучка 111 Причина тшшго йялеиия свяоааа с йеуотойчакыЦ рзп1-меш иейараиш гранита при воздействий Л& . Г

В этой свято прэдотавзя^о научмй и ирюя'йчеекйа интерес изучение распределения ивткмшостн рассеянного излучения и 1сопцентраЦ!Ш (.'яг.чо?исперс!ни част.чц г;о высоте факела ирайзра при стациовертсм релш.а обяяодна. Прэллагмгай способ поавбла-от решить ито? шаров яояошю проста из?охаы, -фио&шшым 83 наличия диффузного рассеяния !:злучэш:л при ¡твестпок «ервдоем раашре частей /5/. В ашпарйкгнтах иркшняхея лаззр непрзрнз-ного действия вя кг.иставлэ ЛИГ длиной аолии излучения 1,06 ше.< (рис. 8). ЛИ (I) &01{усаро!Ш.ось кЕарцавой ливвой. 3 ¡ичаотее ш-гаенн (2) бил Еыбраи мрашр. Ддя рагкптрадаи рассеянного факегом (3) излучения исвользозэлся чувствительны* 8£э|*зн*,' собрайннЯ из жестко связанная шкду собой частей : уели (4) размером 0,светофильтров (Б) на 1.05 1аш и полупроводникового фр- <1 тодиода (С), Чувствйгельшй элемент равнокзрко врацэлся со ст-

poro контролируемой скоростью вокруг вертикальной оси (7). Угол <к между осью вращения чувствительного элемента, основанием факела и плоскостью мишени варьировался в пределах 0°-90°. Временная развертка электрического сигнала с фотодиода отображалась на экране запоминавшего осциллографа С8-12 (8).

С помощью представленных эмпирических кривых (рис. 9а) можно приближенно оценить изменение концентрации частиц по высоте факела, если воспользоваться следующими допущениями. Предположим, что процесс диффузного изотропного рассеяния происходит на частицах одного размера, т. е. угловая характеристика индикатрисы рассеяния ^ не зависит от концентрации частиц Ж и интенсивности ЛИ 10 /Б/. Как видно из рис. 9а подобное предположение справедливо только на расст' пииях свыше 4 мм от основания факела, где >2 - 12/11 не зависит от 1г Бри этом надо учитывать, что процесс рассеяния эффективно реализуется на частицах размером более 1 мкм. Поскольку диаметр ЛИ был много меньше поперечных размеров факела мм), то не учитывалась его поперечная неоднород-

18 ¡1,4«

Рис. 9. Эксцершенталгнш л расчетный распределения интенсивности рассеянного -лзлу^иш (а> и концентрации мелкодиеперсшга частиц (б) вдоль факела.

носгь. Т. о., можно .записать следующее соотношение:

I = ?ла,е

(1)

где-. }(-козЛфициент ослабления кадученния, £-дьлна оптического пути ЛИ в облаке частиц.

Дийеренцируя (1) по /, получим;

(2)

Решение дифферлциалыюго ураыюния(Ё) в координатах Ь ш.'эет вид

N

К

г л,

с- М к,-к

О)

где граница облака мелкодисперсных частиц. Если пронормировать И по ее значению с вериине факела , то выратення для концентрации частиц в относительных единицах п будут следующее:

, (4)

ы

где - интенсивность излучения рассеяного вершиной факела, - высота факела.

Анализируя (4), нетрудно убедиться, что коэффициент С имеет следующее значение:

где Н - коэффициент полных потерь излучения на факеле. Согласно опытным результатам по рассеянию ЛИ ЛЭФ, для условий наших экспериментов величина I! была порядка 0,35. С помощью уравнения (4) и графического интегрирования эмпирических данных (рис. 9а) получены расчетные распределения п вдоль Ь , представленные на рис. 96.

Экспериментальны? и расчетные данные распределения вдоль факела интенсивности рассеяного излучения и концентрации мелкодисперсных частиц показывают, что наиболее сильно ЛИ рассеивается вершиной ЛЭФ. При приближении к основанию факела интенсивность рассеянного излучения постепенно снижается, что по-видимому, обусловлено возрастанием температуры факела и соответствующем уменьшением концентрации мелкодисперсных частиц. Снижение интенсивности рассеянного излучения с удалением от вершины факела вызвано только уменьшением концентрации частиц из-за их пространственного разлета. Наблюдаемая картина еще раз потверждает вывод о том, что рассеяние излучгдая происходит на мелкодисперсных частицах, а не на самой плазме факела.

к

(5)

о

Ит;гн, анализ шатеряштчиы'хх рииккг а пркдтаьзшш изотропного дг.ф;,уэ1Гого рассеяния попевая, что шкскмапнзя плотность "менг-рсз рассеяния" приходится ил горгану -Е-й

■! аа.чл.шлшп! сфор.чу-яиронагш ос;:ошшо рсгультати н шводн,

1^-)»<>дс-ни оптические н гэпло^лаичесы» ьсояелоаэкия процесса воздействия па природные (/инерааи лазерного калучания длшюй волны 1. 05 а 10, 6 нкм, соответствующие ИН излучений про-мышленно выпускаемых моздшх непрерывных лазеров. Обнаружено, что мрашр вблизи длины волны 1 ьяш пря отсутствии фаз о в ¡л-переходов слабо ггсрл;":^&г лазерное ивлучэнив и ведет себя как сильно рассеивак^г полупрозрачная среда

¡¿. Изучена динамика гешюрого рааруиеиия лазерным нллушн'гон природных минералов, являюдам п;;.:родш::.:п дисеодкруоджн кзте-риалсми. Показано, что каверна и стационарном режиме облучения углубляется в материал с непрерывна падавдей сютростью. Прекращение роста глубины каверны происходит при установлении баланса энергий меэду поступающей моряосгью ЛИ и чрезвычайно большими канавами ее диссипативных потерь.

3. Выявлено, что основный энергетическим параметром лазерного излучения, определяющим глубину резга природных минералов, является его мощность. Причем глубина каверни практически пало зависит от интенсивности и условий фокусировки лазерного излучения.

4. Проведены оптические исследования процесса . формирования лазерного эрозионного факела на поверхности ирироднйх минералов. Обнаружено, что начало лазерного Боадействия характеризуется интенсивным выбросом осколков облучаемого Штерна"а. Формирование устойчивого лазерного эрозионного факела с мелкодисперсными конденсированными частицами происходит только при стабилизации формы каверни испарения. Установлено, что основной механизм значительной экранировки лазерного Излучения факелом (десятки X) связан о процессом его рассеяния на мелкодисперсных частицах. Причем доля рассеянного эрозионным факелом лазерного излучения Зависит как от мощности, так И ог интенсивности последнего.

Б, Разработан оптический метод определения относительной концентрации рассеивающих центров в свободно разв!геащемся над по-

верхностыо облучения лазерной врооионном Факеле. С помошыо данного метода получены индикатрисы рассеянного лазерною излучения с пространственным разрешением, достаточным для численных расчетов, На основе расчетных данных, в пределах применимости оптического метода, показано. что основная доля мелкодисперсных рассеивавши центров расположена на вершине факела.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах.

1. Шеенбаев Е й., Чокоев 9. С., Абдылдаев О. Т. Рассеяние лазерного излучения длиной волны 1,06 мкм плазменным факелом // Изв. АН Кирг. ССР, 1986, N 2, с. 19-22.

2. Йеенбаев а И., Чокоев Э. С. , Абдылдаев О. Т. Динамита развития каверны в мишени из мрамора под действием излучения длиной волны 1,06 мкм //Изв. АН Кирг. ССР, 1986, N 4, с. 20-22.

3. И'ееибаев fit К. , Чокоев 9. С., Абдылдаев О. Т. Влияние мощности лазерного излучения на процесс обработки мрамора //ftra. и хим. обработки материалов, 1987, N 2, с. 00-52.

4. Чокоев Э. С. , Абдылдаев О. Т. Рассеяние излучения при лазерной обработке гранита //tota, и хим. обработки материалов, 1087, N г, с. 14-15.

5. ^toKoou Э, С., Йеенбаев Е Ш. , Абдылдаев О. Т, Рассеяние лааерного излучения мелкодисперсными частицами плазменного факела мрамора //Изе. АН Кирг. ССР, сер. физ. -тех. и математематм-ческие науки, 1987, N 1, с. 27-30.

6. Абдылдаав О. Т., Ееенбаев Е.Е , Чокоев Э. С. Оптический метод определения относительной концентрации рассеивающих частиц в лазерном эрозионном факеле //Tea. докл. I Всес. семинара "Оптические методы исследования потоков ", Новосибирск, 1989 с.55

7. Абдылдаев О. Г. , Акшгааа А. А., Чокоев Э, 0. Лазерная обработка мрамора разных сортов //lías. АН Кирг. ССР, сер. физ. -тех. и ^тематические науки, 1090, N 1, с. 21-23.

8. Абдылдаев О. Т., Акшюва А. к.., Чокоев 3. С., и др. Особенности взаимодействия лазерного излучения с композиционными материалами в непрерывном режиме //Тез. докл. IV Всес. конф. " Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом ", Фрунзе, 1990, с. 9-10.

Абды infics О. T , Äeuuaer» Ж. XI , Чжоаи Э. C. lnojc^üa^imi -in-8ii«jei:i'.Mi процессов протачали: u боне язациодейстгия дазеряого излучения с приро/ашуи //Таи ж, что и п. 0, с. 11-12.

10. Лйдкадивз ОЛ., Язекбаба ¿Г. В., "лъзп. V. С. ОссОглчооти раа-руиения упкфойншг noj3:;«spos npi? двйо'чиа 1Ш?в:павн»го потока лу гистой виорпш //Гйо. дохл. " Пробш/У фдеяхх прсшсаи гшгк-кроБ", Душанбе, 1090, с.60.

11. Абдцлдпс« ОЛ. , Бвйи-зказш Р. Д , РукааЯпаа И. IL , 4ji:osr а С. Нюание неходкого оосгоанив на процесс pa"npoorp?:teim« тш\ при воздействии лаг.ерного излучения !JТез. докл. I Рэспуб. конф. молодых ученых и прэподашге.«?:": £изнки, "ру;;зе, 1600, с. 20-23.

1й. Абдылдаев О. Y. , Чскоз» 3. 0. Пагдокательная способность мрамора при воздействии" лазерного чплучегш длтаой волки 1. 05 ьзш //Там па, что и п. 11, с.17-10.

ЦчтадсJUüvpä'r-ypä :

1. Воробьев A.A. йлвическчз оы'и.чп иотпп крисстгикчосмх да-элекгртши. Томас Ъд-еэ Томского уь-та, 18£0, кил.

Й. Иухаигягалиааа А. & , Бондарь А. Н. , Еиборова Т. А и др. Исследование воздействие иалучелия испрарывно»ействуюйрго С02 -лазера на минерал» группы каарца ц кварцесодергящ'.э горныз породы //Квантовая электронна , i'J?5, Н 1, с. 37-42.

3. Ь'пканото К. Кнфраираснк'з апактрн неорганической и гаардшт-цнонних соединений IL: Мир, 1?6~

4. Чокоев 3. С. Квазйстациоварк&т вадача процесса углубления ка-верни с переданной сюэростыз //Иав. АН Кирг. ССР, сер. фиа. -тек. ■и к:атематичсскнэ naywt, 1SB7, N Й, е. Со-87.

5. Припивал:ю А. П. Определение параметров функции распределения но размерам и концентрация частиц, из измерений показателей ос-лаблэшш н обратного рассеяния //MIO, 1973, т. 19, с. 320-331.

СГАШОНАРЯЧК VWITi'iffii3üT» ЛАЗЕР ГОУДШУСУ ЕЧЖ КЛГАТШВЯП УШЕРАЛД А} 1ДВД1 83 АРА ЛРАККРГИШУУ ПР01&СШШ КЗЭ ЙЙР -КЗККАШК ьад&эдзщшт кхвдэа.

РЕЗЮМЕ

Бул шта лазер иурдануусу (ЛН) метоп дассоциялацуучу катуу Еаратшшш шкоршиармгаш (МП) (мрамор, грзгвгг sana известняк) ез ара араквттешпауу чпгандо бодуучу физшсалык нэгизги кубулуштор взицденген.

ЛИ твасирп астинда ЕМ оптвквлмк касиоттерин изилдеенун ната Я касиада , мрамор башка кшшрадцардан айырмалащш, нурдаиу унун толкуя узуиду ry I мкм Долго идо фазолик етуулерге дууюар ОолсЪгон учурда, ЛН начвр скцирнп ove чачирвтуучу харым туиук чейрэ катары елып кур© турглндигы аннчтвддц.

Турактуу раккмда иитоочу ЛН тоасири встында Ш талкалануучу калуулук данамикасш изиддеэде, паЯдз Оолгоа оюс езгэрулуп твмандэ чу ылдамдйк ко ион тврецдэшин кэрсетту. Оистуа тврвндвиинин токтолушунун соОобн, I3J ri9 гнно калил тушкой лазер внаргилсшшя вр каядай диссшатквдуу жоготууларга учуроосу аркылуу тацдвмгли мапеа тушундурулэт.

Иштин нрактикшшк коктея ыааниси J8I мэнвя ЕМ вэ ара вреквттеншауу чогшда яуруучу фнзакалык иогизги кубулуштар;?! вниктоого ьгумкундук бэргендигиндо турат. Ш ЛН вштетуудэ аннн талкалануу дроцэссшаш вфЕвктивдуулугун аииктоочу нвгазги •* параметр нурдануунун кубаттулугу акондаги кэрсотулгвн.

Нурдануу Сотавдэ врет и айда болгоя лазврдак эрозиялык галылда, чачиратуучу Оорборлордуп салиштырмалуу кояцвитрвциясын апыктаган оцтикалнк ыкма штзлип чшскан. Ушул ыкманын кардами аркылуу мвйющцик ыцгайи мумкуичулугу кэнэи алынган, ЛН чачираган индакатрисасын сан кагынан осоцтевдэ да жвтиштуу жыйшггык борет. Эсштеенун яегязги жийштыга, врозиялиг яалищын чачиратуучу борборлорупуа ногшги белугу, ваггардшт Оууларынш конденсацияляпып маПда дислврсиялик Оэлукчелэргэ етушу кучтуу жердэ болор/н корсет@т.

RESEARCH OF £OI.:C MWSJCAL CHARAKTERS uf TliE PROCESS IMTERACTICW STATI Of !A<- Y I tih'P \-FEQ LAZES KADT ATT CN WTT13 CF NATURAL MINERALS.

S U H H A R

The main f ■hyp.io;il procer^s^s occurred within th« of thJ

interaction of lascrr radiation with solid dl ssoci rig mAtftrials of natural origin { marbl e, Qr anite and lirnerstcme ) have been analysed In the work present.

In the result of the analysis of optical properties characteristic for natural minerlas,when IS-laser radiation is effecti nQ on.it has been fr-und that marbl e,el osa to wave of 1 mem and with absence of phas.? transitions, absobs laser radiation quite poorly and behaves itself likt half-transparent medium with high dispersive ability.

The investigation of the dynamics oi* natural tfiinerals heat crushing with the use of laser radiation has shown that th<s cav® with stable parameters of radiation becomes deeper and deeper in I ho material with variable falling velocity. Stopping of the cave depth place wl>en fixing the sneryy balance between power entering and extremely great number of channels of its dissipative losses.

Practical value of th« work rji ven consists of the fact that the experimental researches d3Velt.'ps?ci in the work mentioned havar permitted to find thti? main regularities cf the physical processes occurred within the acne where the itiaraction batwean the laser radiation arid natural minerals takes place. It has been shown that, when processing the natural wlnsralsi the laser beam principal parameter determining th& efficiency of a crushing process can be corisid&red to b& tha beam's powi»r.

An optical method has been davelopa-d Tor the determination of a relative concentration of dispersing centres in a laser erosiv torch freely flapping over the surface irradiated. Indicatrixes of diffusive laser radiation with the space resolution quite enough for numerical calculations have been obtained with the use of the method mentioned. On the base of theoretical data it has been shown that the major part of erosion torch dispersing centres is in the areas where the matteror substance vapours ars Intensively concentrated into fine-dispersive parts.

21

^/1 t