Лазерно-индуцированные термохимические и гидродинамические процессы на поверхности вещества и их диагностика в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

р.

у' ^

\ ') у На правах рукописи

\

АБРАМОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЛАЗЕРН04»1Д>Т1,ИР0ВЛННЬ1^ЕРЛЮХ1ШИЧЕСКИЕ II ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОВДССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕЩЕСТВА И ИХ ДИАГНОСТИКА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО МИКРОСКОПА

Специальность 01.04.21 -^лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владимир 2000

Работа выполнена на кафедре физики и прикладной математики Владимирского государственного университета.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент В.Г. Прокошев

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор С.М. Аракелян

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.С. Голубев

доктор физико-математических наук, В.М. Гордиенко

Ведущая организация:

Самарский филиал Физического института Российской академии наук

Защита состоится " ¡5 " июня 2000 г. в 15-00 часов в конференц-зале корпуса нелинейной оптики на заседании диссертационного совета К 053.05.21 физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан " _2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 053.05.21 ^ТПК11

кандидат физико-математических наук, •!

доцент М.С. Полякова

■ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Воздействие интенсивного лазерного излучения на вещество уже долгие годы является фундаментальной проблемой лазерной физики и нелинейной оптики материалов. Наибольший интерес представляют различные высокотемпературные процессы, приводящие к возбуждению пространственно-временных неустойчивостей и структур на поверхности материала, имеющих принципиальное значение для определения физико-химических свойств конденсированной среды. Исследование таких процессов очень важно как в фундаментальном плане, так и для приложений. В первом случае речь идет о физической картине явлений и механизмах транспорта энергии и массы, а во втором - об эффективности воздействия лазерного излучения на вещество, что собственно и определяет возможности лазерной обработки материалов. Поэтому актуальность этой темы не вызывает сомнений, и в настоящее время здесь еще много нерешенных задач.

Динамика развивающихся при этом процессов может быть исследована специальными методами (например, скорость движения потока расплава — с помощью доплеровской анемометрии, период испарительно-капиллярных волн- по колебаниям интенсивности эрозионного факела и т.п.). Однако диагностика высокотемпературных процессов во время лазерного воздействия в самой области взаимодействия затруднена из-за присутствия экранирующего свечения эрозионного факела и собственного излучения нагретой до высокой температуры поверхности материала. Это препятствует применению для исследования зоны взаимодействия в реальном времени таких прямых и высокоинформативных методов, как скоростная кино- и фотосъемка, а именно такие прямые измерения представляют наибольший интерес в физическом плане, а также в аспекте управления и реального влияния на развитие возникающих процессов и явлений непосредственно во время лазерного воздействия. Решению этой проблемы с помощью лазерного проекционного микроскопа (лазерного монитора) и посвящена настоящая работа.

Целью работы является исследование лазерно-шщуцированных термохимических и гидродинамических процессов на поверхности вещества и их диагностика в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа.

Методы исследования. В работе использовались современные методы динамической лазерной микроскопии, математического моделирования динамических процессов и неустойчивостей в конденсированной среде, а также оптико-электронной регистрации и компьютерной обработки изображений.

Научная новизна работы: 1. Предложен новый способ изучения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических процессов на основе

? О' / 1А.

у

диагностики ооласти лазерного воздеиствия в реальном времена при помощи лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости. Получено пространственное распределение толщины слоя компактного окисла в реальном времени. Показано, что экспериментальные результаты для реально изучаемых поверхностей материалов могут значительно отличаться от ожидаемых теоретических зависимостей, рассчитанных для идеализированных поверхностей.

2. Впервые изучена в реальном времени динамическая картина пространственно-временных неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением на поверхности материалов, и выявлены условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур в условиях экранировки области лазерного воздействия излучением плазменного факела.

3. Разработана оригинальная лазерная система реального времени с компьютерной обработкой изображений для контроля высокотемпературных процессов на поверхности вещества в области лазерного и плазменного воздействия.

4. Предложен новый способ контроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.

Практическая ценность работы:

1. Разработанная в диссертации методика диагностики в реальном времени области лазерного воздействия на поверхность материалов может быть использована для изучения физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, физики нестационарных термохимических и гидродинамических высокотемпературных процессов, а также в задачах лазерных технологий.

2. Проведенные исследования динамики формирования пространственно-временных неустойчивостей и структур, индуцированных лазерным излучением на поверхности материалов, позволяют определить основные процессы, ответственные за конечные свойства материалов, и тем самым оценить практическое значение использования методов лазерного материаловедения.

3. Полученные результаты найдут применение при создании лазерных, плазменных и других технологий обработки материалов нового поколения с управлением в реальном времени качеством обработки при введении в систему дополнительной обратной связи с использованием современных компьютерных систем анализа и обработки информации.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Созданная диагностическая лазерная система на основе лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости и компьютерной обработкой изображения позволяет определять пространственно-временные характеристики лазерно-индуцированных термохимических процессов в

реальном времени и получать пространственное распределение их параметров в области взаимодействия непосредственно в процессе лазерного воздействия на поверхности различных материалов.

2. Разработанный оригинальный метод визуализации лазерно-индуцированных гидродинамических неустойчивостей в расплаве металлов при экранировке области лазерного воздействия излучением плазменного факела дает возможность диагностировать развитие неустойчивостей на поверхности материала и определять условия их возбуждения, а также измерять их характерные пространственные и временные масштабы.

3. Управление процессом сварки оптических волокон и диагностика качества сварного соединения с помощью созданного лазерного диагностического комплекса привели к обнаружению эффекта автоцентрирования за счет сил поверхностного натяжения расплава и позволяют говорить о лазерных технологиях высокоточной сварки нового класса.

Личное участие автора состоит в работе по созданию лазерной системы, предназначенной для диагностики лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества в реальном времени, и исследованиях конкретных высокотемпературных процессов (термохимических, гидродинамических и др.). Общее направление исследований и принципиальная постановка рассматриваемых задач были определены научным руководителем кандидатом физико-математических наук В.Г. Прокошевым и научным консультантом доктором физико-математических наук С.М. Аракеляном. Результаты, частично изложенные в п. 3.2.1 и п. 3.3.1 диссертационной работы, получены совместно со студентами-дипломниками С.А. Буяровым и Д.М. Беловым.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в научных журналах «Квантовая электроника», «Теплофизика высоких температур», «Письма в ЖТФ» и «Известия АН. Серия физическая», докладывались на международных научных конференциях ЬАЕ-8 (С-Петербург, 1996), >4ЬМ1-9 (С-Петербург, 1996), ЬА1ЧЕ'97 (Эрланген, Германия, 1997), «Лазерные технологии-98» (Шатура, 1998), «Оптика-99» (С-Петербург, 1999), II Международном симпозиуме по современным задачам лазерной физики (Новосибирск, 1997), а также на научных семинарах МГУ, ИПЛИТ РАН (г. Шатура) и других учреждений.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из них 4 статьи и 12 тезисов докладов, получено 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Материал диссертации изложен на 147 страницах, сопровождается 43 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, определена методическая основа исследований, изложена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое содержание работы по главам.

В первой главе дается краткий обзор научной литературы по основным процессам, развивающимся при воздействии лазерного излучения на поверхность различных материалов, а также методов и средств экспериментального исследования таких процессов.

В параграфе 1.1 рассмотрены основные типы физико-химических процессов, возбуждаемых на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения, и проведен анализ образующихся лазерно-индуцированных динамических структур. Показаны условия инициирования таких явлений и процессов, а также их влияние на условия взаимодействия лазерного излучения с материалом.

Параграф 1.2 посвящен методам диагностики и измерения параметров лазерно-индуцированных процессов и пространственных структур. Рассмотрены области их применения, достоинства и недостатки.

В параграфе 1.3 рассматриваются оптические системы с усилителями яркости и их преимущества перед традиционными оптическими системами регистрации динамических процессов.

Во второй главе представлено описание лазерного диагностико-измерительного комплекса для возбуждения и изучения неустойчивостей на поверхности материалов и его возможностей по диагностике процессов, возникающих при воздействии мощного лазерного излучения на материалы.

В параграфе 2.1 описывается экспериментальная установка, разработанная для решения задачи визуализации и диагностики лазерно-индуцированных процессов на поверхности материалов непосредственно в зоне воздействия лазерного излучения. Установка представляет из себя лазерный технологический комплекс на основе твердотельного лазера ЛИТ-100 (YAG:Nd) и сопряженный с ним лазерный монитор на основе лазера на парах меди ИЛГИ- 101 (рис. 1), который представляет собой динамическую систему с лазерным усилителем яркости. Данный комплекс обеспечивает автоматизированную видео-регистрацию изображений облучаемой поверхности и компьютерную их обработку. Основные характеристики твердотельного лазера: длина волны излучения 1,06 мкм; мощность излучения до 250 Вт; режим работы - квазинепрерывный с частотой следования импульсов 150 Гц; излучение фокусировалось на обрабатываемый образец в пятно диаметром 0,1 мм, что обеспечивало плотность мощности силового

лазера на поверхности объекта до 3 • 106 Вт/см2. Основные характеристики лазера на парах меди: длина волны излучения 510,6 нм; мощность излучения (без зеркал резонатора) до 1 Вт; частота следования импульсов излучения 10 кГц; излучение фокусировалось на рабочую область материала в пятно диаметром 0,3 мм.

Лазерный монитор

Лазерный усилитель яркости 12

у;-.-у К 'Е 13

2__10 *1

Лазерный технологический комплекс на основе твердотельного лазера Г"

«»5

17

и—Система

регистрации

-паи

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - мощный лазер (УАО:Кс1); 2 - шторка; 3 -корректирующая линза; 4 - зеркало; 5 - объектив; 6 - исследуемый образец на координатном столе; 7 - поворотное зеркало; 8 - пьезосистема управления поворотным зеркалом; 9-диафрагма; 10 - лазер на парах меда; 11 - проекционная система; 12 - светоделительная пластина; 13 - экран; 14 - цифровая камера; 15 - компьютер; 16 - монитор; 17 — блок управления мощным лазером и координатным столом

Излучение твердотельного лазера 1 фокусируется на поверхности образца 6 при помощи объектива 5. Излучение лазера на парах меди 10, работающего в режиме сверхсветимости, фокусируется на область взаимодействия излучения твердотельного лазера с поверхностью образца при помощи этого же объектива. Отраженное зондирующее излучение собирается и направляется на вход лазера на парах меди тем же объективом, проходит" через акгивную среду лазера, усиливаясь в ней, и проецируется оптической системой 11 на экран 13, создавая на нем увеличенное изображение зоны взаимодействия. Часть усиленного излучения отводится при помощи светоделительной пластины 12 на приемный элемент камеры 14, что позволяет записывать изображение области взаимодействия излучения твердотельного лазера с поверхностью образца, воспроизводить его на экране монитора 16 и обрабатывать на компьютере 15. Активная среда пропускает излучение образующегося над поверхностью обрабатываемого объекта эрозионного факела (плазмы) без усиления, но многократно усиливает лазерное излучение медного лазера, отраженное от этой поверхности, что и позволяет осуществлять ее наблюдение в отраженном лазерном свете. Таким образом, лазер на парах меди осуществляет подсветку, усиление яркости изображения области обработки и подавление паразитной засветки. Экспериментальная установка позволяет регистрировать изображения области воздействия через промежутки времени, определяемые частотой кадров камеры и пространственным

разрешением до 2 мкм. Сопоставление между собой последовательных во времени изображений позволяет изучить эволюцию обрабатываемой поверхности материала в реальном масштабе времени.

Параграф 2.2 посвящен общей методике диагностики лазерно-индуцированных процессов в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа. Исследование их динамики производится по состоянию поверхности образцов и по его изменениям в процессе лазерного воздействия. Анализ состояния поверхности производится по изображениям области взаимодействия лазерного излучения с образцом, полученным при помощи лазерного монитора на основании распределения яркости полученных изображений, определяемого распределением интенсивности отраженного излучения зондирующего лазера на парах меди. Анализ полного изображения области взаимодействия позволяет производить качественную оценку развития лазерно-индуцированного процесса, определиться с интерпретацией причин изменения условий отражения и выделить участки изображения для более подробного исследования. Детальное исследование производится по пространственному распределению яркости полученного изображения, построенному вдоль определенной выбранной оси.

В параграфе 2.3 рассматривается динамика картины лазерного окисления вещества и методика диагностики термохимических превращений по изменению отражательной способности системы окисел-металл. В случае образования на поверхности материала поглощающего окисла диагностика осуществляется по монотонному уменьшению с ростом толщины отражательной способности. При образовании интерференционного окисла в качестве информационного параметра добавляется расположение и перемещение интерференционных минимумов и максимумов в отраженном свете. Для определения отражательной способности системы металл-окисел строились зависимости яркости изображения В\(г) до воздействия лазерного излучения на металл и В2(г) в некоторый момент времени воздействия на металл. Отражательная способность Я(г) вычислялась по формуле Л(г)=Л05,(г)/В1(г), где Я, - отражательная способность неокисленного металла. Толщина окисного слоя определялась по существующей математической модели, связывающей этот параметр с отражающей способностью системы металл-окисел. Для начальных моментов времени воздействия лазерного излучения, когда толщина к окисной пленки мала, поглощательная способность описывается приближенной формулой А(к)= А0{[ +Ыг), где 6Л2«/; Ь = 4л - 1)/лг; Л0 - поглощательная

способность неокисленного металла; п - показатель преломления окисла; л. -длина волны излучения. Когда толщина слоя окисла на поверхности металла становится сравнимой с длиной волны зондирующего излучения (этот случай

соответствует образованию интерференционных окислов), выполняются следующие известные соотношения для коэффициента отражения излучения по амплитуде гА от системы окисел-металл:

г, = ^ехр(-2/Ф) + г„ . фазовь1Й парамегр ф = 2п Лл/Г.

ехр(-2/ф) + гпг2] X

интенсивность отражения Я = |г,|2; А0 = 1 - (гп)2;

г,, -г„

Г„ =-

1-л/ё. г ■ . 1-л/ёо I—

г12=-г, V е = п + 1%, г13 =—л/е0=по+'Хо-

1 + л/е '+ V Ео

Здесь г12, га - амплитудные коэффициенты отражения окисла и металла (с индексами: 1 - воздух; 2 - окисел; 3 - металл); б и е0 - диэлектрические проницаемости; п и я0 - показатели преломления соответственно окисла и металла; % и х0 - соответствующие коэффициенты поглощения.

Использование этих математических соотношений позволяет определить толщину слоя окислов на элементе поверхности материала, а обработка всего изображен™ приводит к распределению толщины слоя окислов по поверхности. Обработка последовательных изображений позволяет получить изменение толщины окисного слоя во времени, т.е. исследовать динамику процесса окисления.

В параграфе 2.4. рассматривается возможность детектирования гидродинамических процессов на поверхности расплавленного под действием лазерного излучения материала. Диагностика гидродинамических процессов производится по изменениям в регистрируемом изображении зоны лазерного воздействия, обусловленным изменениями в диаграмме направленности отраженного зондирующего излучения, возникающими при возбуждении таких процессов. Гидродинамические неустойчивости, сопровождающиеся заметной деформацией поверхности расплавленного материала, такие как, например, различного типа волны, сами создают характерную картину изображения. В случае же гидродинамических процессов, не приводящих к заметной' деформации поверхности расплава, необходима визуатазация процесса при помощи маркеров. В обоих случаях при анализе полученных изображений информацию несут не значения яркости изображения, а наличие, расположение и перемещение характерных максимумов яркости изображения. Визуализация процесса взаимодействия лазерного излучения с материалом на этапе его плавления позволяет зафиксировать время зарождения гидродинамического процесса, масштаб его характерного изменения или разрушения и связать эти временные параметры с происходящими на поверхности изменениями в условиях развития взаимодействия лазерного излучения с веществом, например в условиях поглощения или транспорта лазерного излучения в образце.

В третьей главе приведены конкретные результаты проведенных экспериментальных исследований лазерно-индуцированных процессов на поверхности материалов.

В параграфе 3.1 рассмотрена диагностика процесса нагрева и плавления вещества под действием лазерного излучения. Исследования проводились при воздействии излучения УА0:Ш-лазера (>.=1,06 мкм) на образцы из нержавеющей стали, углеродистой качественной малолегированной стали марок 20,40 и 60, золота, свинца и титанового сплава ВТ9. Область воздействия легко идентифицируется по характерному потемнению, обусловленному уменьшением коэффициента отражения при повышении температуры и термодеформацией поверхности. При продолжающемся воздействии излучения радиус пространственной области уменьшения коэффициента отражения увеличивается, и она вырождается в расходящуюся локализованную полосу. Далее происходит образование ванны расплава и распространение фронта плавления за пределы области взаимодействия лазерного излучения с веществом. Полученные изображения процесса образования ванны расплава позволяют анализировать этот процесс и получить количественные соотношения, характеризующие скорость распространения фронта плавления. На рис. 2 показана зависимость среднего радиуса г фронта плавления на поверхности образцов из стали от времени г. На начальном участке зависимость достаточно хорошо аппроксимируется функцией вида г=аЛ , где а -коэффициент, зависящий от параметров исследуемого материала и от плотности мощности излучения. На более позднем этапе воздействия излучения на вещество общий характер образования ванны расплава достаточно близок к теоретическому, и радиус фронта плавления рассчитывается по соотношению, соответствующему случаю достаточно хорошо сформировавшейся ванны

мощность лазерного излучения; Ьв и Ьт - удельные энергии испарения и плавления материала.

Из графика рис. 2 видно, что, начиная с некоторого момента времени, рост ванны расплава прекращается, но затем снова происходит увеличение скорости ее роста, и увеличение г почти соответствует приращению величины г, характерному для начального этапа плавления. Такой характер образования .ванны расплава наблюдался при воздействии лазерным излучением на образцы из всех исследуемых металлов. Увеличение скорости распространения фронта плавления может быть объяснено изменением гидродинамического режима плавления, а именно развитием процессов сильного перемешивания расплава, что приводит к выравниванию температуры в ванне расплава и увеличению теплоотдачи от жидкой фазы к твердой с этого момента времени.

расплава,

ванны расплава; t - время; Р —

Рис. 2. Зависимость радиуса фронта плавления нержавеющей стали г„ от времени плотность мощности лазерного излучения 1=4-103 Вт/см2

В параграфе 3.2 описываются результаты диагностики процесса лазерного окисления поверхности металлов. Образцы подвергались воздействию излучения твердотельного лазера УАС:Ш различной мощности (до 30 Вт), сфокусированного в пятно диаметром 0,1 мм.

На рис. 3 приведено характерное компьютерное изображение поверхности одного из исследованных образцов из титанового сплава в процессе воздействия на эту поверхность излучения твердотельного лазера. На рис. 36 отчетливо выделяется область воздействия лазерного излучения на поверхность металла (отмечена двойной галочкой) и расходящийся фронт в виде локализованной темной полосы (отмечен галочкой). Его образование носит необратимый характер. Это доказывается специальным экспериментом, в котором подбиралась такая плотность мощности лазерного излучения, при которой наблюдался расходящийся фронт, однако расплавления поверхности не происходило. В результате было обнаружено, что при повторном воздействии лазерного излучения на ту же самую область поверхности расходящийся фронт не наблюдался. Данный фронт наблюдался при воздействии лазерного излучения на металлы и сплавы, достаточно легко окисляющиеся при высокой температуре в присутствии атмосферного кислорода (например образцы из титана и стали), но отсутствовал для такого слабо окисляющегося металла, как золото, а также для композитных материалов. При обдуве области взаимодействия защитным газом (аргоном) полного подавления реакции окисления не происходило, а наблюдалась асимметрия фронтов относительно струи аргона, что связывается с уменьшением скорости роста слоя окисла в той области, где концентрация окислителя меньше. Основываясь на результатах

проведенных экспериментальных исследований, рассматриваемый фронт интерпретирован нами как интерференционный минимум отражения света в слоистой системе окисел-металл.

а) б)

Рис. 3. Изображения поверхности образца из титанового сплава, полученные при помощи лазерного монитора: а - до воздействия лазерного излучения; б - во время такого воздействия

Процесс лазерного окисления поверхности металла описывается математической моделью, представляющей собой систему дифференциальных уравнений для распространения тепла и зоны окисления с соответствующими граничными и начальными условиями. Для решения данной системы уравнений использовалась численная конечно-разностная модель для температуры поверхности и толщины слоя окисла.

Рис. 4. Распределение толщины И окисного слоя на поверхности титана: 1 - распределение, полученное по результатам эксперимента; 2 - распределение, соответствующее расчетам по

математической модели

Образующийся на поверхности металла слой окисла существенно изменяет условия отражения зондирующего излучения, что позволило, исходя из изменений коэффициента отражения зондирующего излучения - излучения лазера на парах меди, определять толщину этого слоя. Она определялась в предположении достаточно плавного изменения параметров слоистой системы окисел-металл вдоль облучаемой поверхности, когда верна используемая система уравнений. В результате анализа изображений, полученных при

помощи лазерного монитора, определяется коэффициент отражения, который позволяет получить искомое значение толщины окисного слоя (рис. 4).

Полученные зависимости качественно правильно отражают динамику и распределение слоя окисла на поверхности образца титана в условиях ее неоднородной освещенности. Однако экспериментальная зависимость имеет более сложный характер, что, по-видимому, является следствием как неоднородных свойств поверхности металла, так и влияния других факторов на коэффициент отражения (например неоднородности слоя окисла, вызванной появлением на нем трещин (разбиением окисла на зерна), а также тем, что в математической модели не учитывается механизм развития термохимической неустойчивости при образовании слоя окисла.

В параграфе 3.3 приведены результаты диагностики гидродинамических процессов в ванне расплава. Они исследовались при воздействии лазерного излучения на образцы из стали различных марок, свинца, титанового сплава, а также на парафин, используемый в качестве модельного материала. Ванна расплавленного лазерным излучением материала отчетливо выделялась на фоне поверхности образца не только по полному разрушению первоначального микрорельефа, но и по ярко выраженной границе, представляющей собой фронт сильного увеличения отражения зондирующего излучения лазера на парах меди. Эта граница выделяется на картине распределении яркости изображения ванны расплава в виде хорошо различимого локального максимума.

В образовавшейся под действием лазерного излучения ванне расплава возможно установление режима термокапиллярной конвекции. Исследование процессов теплопередачи в условиях конвективного перемешивания вещества сводится к решению нелинейной системы дифференциальных уравнений в частных производных, включающей уравнения для законов сохранения энергии, импульса и массы, а также уравнение состояния и др. Для решения подобной системы уравнений мы использовали наиболее распространенное приближение, в котором исследуемая среда считается несжимаемой, а её физические характеристики (кроме плотности) постоянными, не зависящими от температуры. Такой подход известен как приближение Буссинеска.

Исследование процессов на поверхности расплавленного свинца при продолжающемся воздействии лазерного . излучения позволило зарегистрировать поверхностные волны и получить изображения, на основании которых определяется их длина волны (рис. 5). Полученная при помощи лазерного монитора видеозапись изображения обрабатывалась специально созданной компьютерной программой. Определенная таким образом длина волны на поверхности расплавленного свинца составила 20 мкм, а на поверхности расплавленного титана - 8 мкм. Описанные выше структуры возникали при воздействии лазерного излучения мощностью 15-И0 Вт,

сфокусированного в пятно диаметром 0,1 мм, что соответствует диапазону интенсивности света 2+5-103 Вт/см2.

а) б)

Рис. 5. Волны на поверхности расплавленного металла: а - свинец; 6 - титан

Волновые структуры на поверхности расплава, подобные показанным на рис. 5, регистрировались в течение не всего времени лазерного воздействия, а разрушались и сменялись ламинарным движением расплава на поверхности от центра каверны к ее периферии (иногда с ярко выраженным выходом на поверхность гребня объемного термокапиллярного вихря) или движением с сильным перемешиванием. При продолжающемся лазерном воздействии эти режимы движения расплава (ламинарного, волнового и вихревого) повторялись, сменяя друг друга, неоднократно с частотой 1 -г 10 Гц.

• Высокая яркость изображения, создаваемого лазерным монитором, позволила производить его регистрацию с малым временем экспозиции. При исследованиях с временем экспозиции 125 мкс были зарегистрированы поверхностные волны с длиной волны 5 мкм. При стандартной видеозаписи с временем экспозиции 40 мс эти волны сливаются в одну сплошную полосу. Мелкомасштабные волны регистрировались на начальном этапе формирования ванны расплава, когда ее глубина еще не велика. При продолжающемся воздействии лазерного излучения длина волны регистрируемых поверхностных волн увеличивается. Однако она не является постоянной величиной и уменьшается в направлении от центра лазерной каверны к ее краям. Возможно, это уменьшение длины поверхностной волны связано с уменьшением толщины самого слоя расплава.

В четвертой главе приведены результаты использования созданной системы визуализации изображений на базе лазерного монитора для диагностики и управления процессом сварки оптических волокон.

В параграфе 4.1 приведено описание экспериментальной установки для диагностики процесса сварки оптических волокон. Сварное соединение световодов является основным дефектом на пути следования передаваемого сигнала и приводит к его дополнительному затуханию. Для исследования процесса сварки оптических волокон с целью повышения качества получаемого сварного соединения была создана специальная установка. Она включает в себя аппарат для электродуговой сварки оптических волокон, сопряженный с лазерным монитором на основе лазера на парах меди. Последний осуществляет подсветку,

усиление яркости изображения области обработки и фильтрацию излучения засветки от электрической дуги. В принципе возможен и такой режим, когда этот же лазер сам производит обработку волокон, но в нашей установке проводилось исследование возможности визуализации при традиционной электродуговой сварке волокон. Сопоставление между собой последовательных во времени изображений зоны наблюдения позволяет изучить эволюцию процесса сварки. Это сопоставление осуществляется с помощью системы регистрации сигнала с последующей компьютерной обработкой изображения. Такая методика диагностики процесса сварки оптических волокон лежит в основе разработанного способа контроля соосности волоконных световодов. Он производится путем сопоставления координат боковых границ или центральных осей волоконных световодов, получаемых при компьютерной обработке изображения. Соосным положением световодов в наблюдаемой плоскости считается такое положение, при котором совпадают соответствующие цифровые значения координаты. Осуществление контроля пространственной соосности оптических волокон производится в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

В параграфе 4.2 приведены результаты диагностики процесса сварки оптических волокон. Они показали, что излучение плазмы электродугового разряда и тепловое излучение области обработки не ухудшает четкость изображения, по которому определяется качество сварного соединения. При постановке эксперимента оптические волокна специально устанавливались с некоторыми отступлениями от требований к позиционированию, которые уверенно регистрировались на получаемых изображениях. Было обнаружено, что в процессе расплавления и последующего остывания происходит выравнивание (автоцентрирование) волокон за счет сил поверхностного натяжения расплава при относительно небольших разъюстировках оптических осей двух свариваемых световодов. Результаты исследований показали возможность выявления таких дефектов геометрии оптического волокна, как утолщение или утончение в месте сварного соединения. Избежать подобных дефектов можно, если правильно выбрать ток и длительность дугового разряда, осуществляющего сварку, и зазор между торцами световодов. Предлагаемая схема визуализации сварки оптических волокон позволяет получать информацию и обрабатывать ее компьютерными средствами в реальном масштабе времени, а значит, корректировать устанавливаемые параметры непосредственно в процессе сварки при введении соответствующей обратной связи в данный технологический процесс.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

1. Создана оригинальная установка и разработана методика диагностики динамических процессов, индуцированньсх лазерным излучением на поверхности материалов, непосредственно во время лазерного воздействия, основанная на применении лазерного проекционного микроскопа с усилителем

яркости и компьютерной обработкой изображений в реальном времени. Проведено экспериментальное сравнение возможности диагностики области воздействия мощного лазерного излучения на поверхность металла без лазерного усилителя яркости и с ним. Показано, что применение лазерного усилителя яркости позволяет регистрировать изображение поверхности сквозь плазменный факел, возникающий непосредственно над обрабатываемой поверхностью, при интенсивностях лазерного излучения 103-И07 Вт/см2. При этом прямое визуальное наблюдение (без лазерного усилителя) практически невозможно из-за яркого свечения данного плазменного факела.

2. Получены результаты по диагностике при помощи разработанной методики процессов лазерного воздействия на металлы, сплавы и другие вещества. Показано, что данная методика позволяет наблюдать, регистрировать и обрабатывать на компьютере изображение области лазерного воздействия в процессе нагрева и формирования ванны расплава, а также наблюдать и регистрировать в реальном времени термохимические и гидродинамические процессы и неустойчивости, развивающиеся на поверхности вещества и расплава.

3. Предложен новый способ изучения лазерно-индуцированных термохимических превращений на поверхности металлов и сплавов по регистрируемому распределению яркости изображения области лазерного воздействия. На примере индуцированной лазерным излучением реакции образования окисла на поверхности исследована динамика роста и получено распределение толщины слоя окисла в области лазерного воздействия. Данная методика представляет несомненный интерес для создания новых лазерных технологий модификации поверхности.

4. Приведены результаты диагностики в реальном времени гидродинамических процессов, индуцированных лазерным излучением в ванне расплава. Показана возможность измерения скорости движения гидродинамических потоков на поверхности материалов. Зарегистрированы и исследованы в реальном времени волновые структуры на поверхности и определены условия их возникновения. Определены длины волн и частотный спектр зарегистрированных волновых структур. Обнаружен перемежающийся характер движения расплавленного материала в лазерной каверне, при котором ламинарный по поверхности, волновой и хаотический режимы движения расплава неоднократно сменяют друг друга с частотой следования порядка 1*10 Гц.

5. Создана лазерная система для электородуговой обработки и сварки оптических волокон с визуальным контролем и диагностикой в реальном времени при помощи лазерного монитора. Обнаружен эффект автоцентрирования оптических волокон при сварке за счет действия сил поверхностного натяжения расплавленного материала. Показаны возможности

предлагаемой методики по выявлению дефектов получаемого сварного соединения, связанных с изменением геометрии соединяемых световодов. Такие дефекты определяются количеством удаляемого под воздействием электрической дуги материала оптических волокон, что дает возможность контролировать и управлять этим процессом на основе предлагаемой методики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Прокоаев В.Г., Трубицын С.Ф., Аракелян С.М. Визуализация процесса сварки оптических волокон при помощи лазерного усилителя яркости // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. № 17. С. 6-10.

2. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Галкин А.Ф., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Визуализация процессов лазерной обработки материалов при помощи усилителя яркости на основе лазера на парах меди // Известия АН. Сер. физ. 1997. Т. 61. №8. С. 1560-1564.

3. Prokoshev V.G., Arakelian S.M., Abramov D.V., Galkin A.F. Visualization of the welding of optical fibers by laser brightness amplifier // In col. of Abstracts of the VIII International Conference Laser Application Engineering LAE-8. - St.Petersburg, Russia, 1996. - P. 32.

4. Abramov D.V., Arakelian S.M., Orlov V.N., Prokoshev V.G., Galkin A.F. Control of the laser raduation interaction with tissue by a copper laser monitor // In col. of Abstracts of the VIII International Conference Laser Application Engineering LAE-8. - St.Petersburg, Russia, 1996. - P.42.

5. Arakelian S.M., Abramov D.V., Galkin A.F., Prokoshev V.G. Stochastic processes and instabilities by powerful laser influence on substanses and them visualization by laser monitor// In col. of Abstracts of the EX International Conference Nonresonant Laser-Matter Interaction NLMI-9. - St.Petersburg, Russia, 1996. - P. 101.

6. Prokoshev V.G., Galkin A.F., Klimovsky I.I., Abramov D.V., Arakelian S.M. Nonstationary laser thermochemical processes on surface of metals and their visualization by means of laser brightness amplifier // Proceedings of the International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE'97. -Erlangen, Germany, 1997. - P. 297 - 304.

7. Abramov D.V., Denisenko V.I., Prokoshev V.G. Dynamical processes under laser strengthening of coating // Proceedings of the International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE'97. - Erlangen, Germany, 1997. - P. 687-692.

8. Prokoshev V.G., Klimovsky I.I., Galkin A.F., Abramov D.V., Arakelian S.M. Visualization of the laser treatment processes of materials by the brightness amplifier on basis oftne copper laser//Proc.SPIE. 1997. V. 3091. P. 29-33.

9. Prokoshev V.G., Galkin A.F., Klimovskii 1.1., Abramov D.V., Taranenko M.A., Danilov S.U., Arakelian S.M. Laser-induced instabilities and thermochemical processes in condensed matter and their diagnostics by means of the laser brightness amplifier in real time scale // In col. of Abstracts of The second

international symposium on modem problems of laser physics. - Akademgorodok, Novosibirsk, Russia,1997. - P. 1-31.

10. Prokoshev V.G., Klimovskii I.I., Galkin A.F., Oriov V.N., Abramov D.V., Taranenko M.A., Danilov S.U., Arakelian S.M. Experimental study of laser-induced hydrodinamical and thermochemical processes by means of: laser brightness amplifier // Proc. SPIE. 1998. V. 3403. P. 270 - 275.

11. Прокошев В.Г., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Данилов С.Ю., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости // Квантовая элекгроника. 1998. Т. 25. № 4. С. 337 - 340.

12. Патент 2120650 РФ МКИ G 02 В 6/255. Способ контроля соосности волоконных световодов / Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. Опубл. 20.10.98. Бюл. № 29.

13. Абрамов Д.В., Прокошев В.Г., Буяров С.А., Аракелян С.М. Диагностика лазерно-индуцированных термохимических процессов на поверхности материалов // Материалы VI Междунар. конф. «Лазерные технологии-98» (ILLA-98). - Шатура, 1998. - С. 115.

14. Abramov D.V., Arakelian S.M., Buyarov S.A., Galkin A.F., Klimovskii I.I., Prokoshev V.G. Experimental investigation of laser-induced termochemical and hudrodynamical processes by means of laser monitor with computer processing of images // In col. of Abstracts of XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'98). - Moscow, Russia, 1998. - P. 284.

15. Денисенко В.И., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Аракелян С.М. Динамические процессы при лазерном упрочнении покрытий из хрома // Теплофизика высоких температур. 1998. Т. 36. №4. С. 674-676.

16. Абрамов Д.В., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Индуцированные мощным лазерным излучением гидродинамические процессы и структуры на поверхности вещества // Материалы^ Междунар. науч.-практ. семинара «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС». - Владимир, 1999. - С. 183 - 185.

17. Абрамов Д.В., Бухаров Н.Н., Буяров С.А., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Численное моделирование лазерного термохимического окисления металлов // Тезисы докладов Междунар. конф. молодых ученых и специалистов «Оптика'99». - СПб, 1999.-С. 108.

18. Патент 2144204 РФ МКИ G 02 В 21/00. Лазерный проекционный микроскоп / Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. Опубл. 10.01.2000. Бюл. № 1.