Влияние временной формы воздействующего лазерного излучения на характеристики эрозионных плазменных факелов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

г-гз од

1 Ц'ПП ',С:";7

' 1ШСТЙТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ УДК 621.373.826:533.9

Концевой Валентин Леонидович

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕННОЙ ФОРМЫ ВОЗДЕЙСТВУЮЩЕГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭРОЗИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ФАКЕЛОВ

01.04.08 - фшика и химия плазмы 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск -1997

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Гончаров В. К.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Минько Л.Я.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Станкевич Ю.А.

Оппонирующая организация - Институт прикладной оптики АН Беларуси,

г. Могилев.

Защита состоится " / " й^СаЛ " 1997 г. в часов на заседании совета по защите диссертаций Д 01.01.01 в Институте молекулярной и атомной физики АН Беларуси (220072, Минск, пр. Ф.Скорины,70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института молекулярной и атомной физики АН Беларуси.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций

кандидат физико-математических наук

В.А. Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Лазерная обработка различных материалов - современная отрасль промышленности, значение которой с развитием современных технологий становится все более актуальной. В то же время, недостаточная изученность физических процессов, происходящих при взаимодействии оптического излучения с веществом, не позволяет эффективно и наиболее оптимально использовать возможности такой обработки.

Применяемые в технологических процессах плотности мощности лазерного излучения лежат в диапазоне 0,1-100 МВт/см2. При таких плотностях мощности в образующемся при поздействни на металлы эрозионном факеле кроме плазмы и паров присутствует жидхокапельная фаза материала мишени, существенно влияющая на оптические параметры эрозионного факела. Исследование экранировки поверхности мишени частицами конденсированной фазы проводились ранее, в основном, для режима свободной генерации. Характерное для этого режима хаотическое распределение во времени и пространстве энергии лазерного излучения, не позволяет получить точные количественные характеристики воздействующего излучения, а, следовательно, определить влияние этих характеристик на образование частиц жидкокапельной фазы материала мишени.

Без детального знания состава продуктов эрозии, механизмов и условий, влияющих на их образование, невозможно наиболее полно реализовать возможности применения лазеров в научных исследованиях и в технологических процессах. Исходя из вышесказанного актуальным с научной и технической точки зрения является комплексное изучение состава и параметров эрозионных факелов различных металлических мишеней при воздействии на них импульса лазерного излучения с одной стороны "идеальной" формы, т.е. формы близкой к прямоугольной, с равномерным распределением энергии в пространстве и времени, с другой стороны выяснить степень влияния на характеристики эрозионного плазменного факела формы воздействующего импульса.

Связь работы с крупными программами (темами).

Данная работа проводилась в рамках Всесоюзных и республиканских целевых комплексных программ по изучению взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, госбюджетных тем под общим шифром "Плазма", финансируемых Министерством образования Республики Беларусь.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является выявление влияния пространственно-временной неоднородности лазерного излучения на образование частиц в эрозионном

плазменном факеле. Для выполнения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- создание лазерной установки, генерирующей в микросекундном диапазоне импульсы излучения по форме близкие к прямоугольной, с возможностью регулирования их временных и пространственных параметров;

- выяснение влияния различных факторов на поглощение и рассеяние лазерного излучения в продуктах эрозии;

- изучение влияния энергетических и пространственно-временных параметров лазерного излучения на процессы образования конденсированной фазы материала мишени в плазменном факеле;

- определение приоритетности факторов, способствующих образованию мелкодисперсной конденсированной фазы материала мишени в плазменном факеле;

- исследование пространственно-временного распределения жидкокапельных частиц в продуктах эрозии.

Научная новизна полученных результатов.

В данной работе впервые был получен и использован лазерный импульс большой энергии, имеющий форму близкую к прямоугольной, с возможностью управления его пространственно-временными параметрами, что позволило выяснить влияние пространственно-временных неоднородностей воздействующего излучения на процессы образования жидкокапельной фазы материала мишени в лазерных эрозионных плазменных факелах. Благодаря этому.

- определено влияние параметров воздействующего лазерного импульса на оптические характеристики эрозионных плазменных факелов. Экспериментально измерены пороги появления рассеяния и поглощения на частицах жидкокапельной фазы для различных металлов, а также пороги появления вспышек поглощения в плазме для легкоплавких металлов. Показано, что плотность мощности воздействующего излучения существенно влияет на время задержки образования жидких капель и их размеры;

- при воздействии на металлическую мишень серии прямоугольных импульсов обнаружен "накопительный" механизм образования частиц, заключающийся в увеличении их концентрации в плазменном факеле за счет воздействия предыдущих импульсов;

- показано, что наличие "всплеска" интенсивности в начале воздействующего лазерного импульса существенно влияет на дальнейшую динамику эрозионного плазменного факела;

- показано, что диаметр образующихся при лазерном воздействии частиц слабо зависит от пространственно-временной формы лазерного импульса, но при этом, концентрация частиц тем больше, чем больше его пространственно-временная неоднородность;

- экспериментально определена приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию;

- при воздействии лазерного импульса па пористые металлические мишени получены управляемые по составу двухфазные потоки. Показано, что методика определения размеров частиц с помощью лазерного зондирования достаточно надежна и позволяет контролировать размеры частиц в реальном времени их существования.

Практическая значимость полученных результатов.

Определена роль и приоритетность различных факторов, влияющих на образование мелкодисперсной жидкокалельной фазы материала мишени. Для ряда металлов ■экспериментально определены пороговые плотности мощности воздействующего лазерного излучения, при превышении которых продукты лазерной эрозии заметно влияют на транспортировку энергии излучения плазмообразукэдего лазера к поверхности мишени. Это позволяет прогнозировать и определять оптимальные режимы лазерной обработки металлов.

Экономическая значимость полученных результатов.

Полученные в диссертации результаты позволяют выбрать режим обработки металлов в зависимости от пространственно-временной неоднородности и плотности мощности падающего излучения. Используемая в диссертации методика определения размеров и концентрации частиц жидкокалельной фазы в реальном масштабе времени, может применяться в различных областях народного хозяйства, в частности, для контроля режимов сгорания топлива в теплоэлектростанциях, котельных и пр. В современных условиях, когда вопросы экологии имеют приоритетное значение, такой контроль позволит отслеживать выбросы вредных веществ в атмосферу и оперативно рейдировать режимы работы тепловой установки. Использование данной методики в порошковой металлургии позволит контролировать размеры частиц в процессе изготовления и формирования металлических порошков.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Режимы генерации и усиления высокоэнергетичных (до 500 Дж) лазерных импульсов прямоугольной формы регулируемой длительности (50-500 мкс).

2. Для каждого металла, при воздействии прямоугольного лазерного импульса, существует диапазон плотностей мощности падающего излучения, в котором частицы жидкокапельной фазы существенно влияют на оптические характеристики эрозионного плазменного факела. Этот диапазон определяется режимом воздействия и теп-лофизическими свойствами металла.

3. Изменение временной формы воздействующего лазерного излучения существенно влияет на динамику эрозионного плазменного факела и его экранирующие свойства - с увеличением пространственно-временной неоднородности концентрация частиц растет, а также позволяет управлять процессом формирования частиц жидкокапельной фазы в нем.

4. Приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию при воздействии на металлы лазерного излучения, следующая: прежде всего - газы растворенные в металлах и пространственно-временная неоднородность воздействующего лазерного излучения, затем, присутствие в металле различных инородных включений, потом - структурные неоднородности, и наконец - взрыв метастабильной жидкости или неустойчивость фронта испарения.

5. При изменении параметров воздействующего на пористые мишени лазерного излучения можно получать, а также регулировать состав и свойства двухфазных потоков (плазма и частицы конденсированной фазы вещества).

Личный вклад соискателя.

Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Научный руководитель Гончаров В.К. сформулировал задачу исследований и принимал участие в обсуждении полученных результатов. С соавтором статей Карабанем В.И. обсуждались результаты экспериментов по зондированию и измерению параметров плазмы спектроскопическими методами. Соавтором публикаций Стасюлевич Т.В. была оказана помощь в расчетах и проведении экспериментов. Соавтор статей Пузырев М.В. принимал участие в подготовке и проведении экспериментов. Соавтором статьи Сметанниковым A.C. создана программа расчета факторов поглощения и рассеяния, которые использовалась при определении размеров частиц. Из материалов опубликованных в [1,2] совместно с Кваченком В.Г., Колесником A.B., Колесниковым В.В., Ревинским В.В., Товмасяном С.К., Чернявским А.Ф., в диссертацию вошли результаты, полученные только лично автором.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Университетском семинаре "Применение лазерной и оптоэлектронной технике в народном хозяйстве" (Минск, 1985 г.), 8 Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.), Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993 г.), Белорусско-Югославском симпозиуме по физике и диагностике лабораторной и астрофизической плазмы (Минск, 1996 г.).

Опубликованность результатов.

Результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в научных журналах и в 7 тезисах докладов на упомянутых конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 5 глав и списка литературы. Полный ее объем составляет 120 стр., из них 23 рисунка на 23 стр., и список используемых источников на 14 стр., включающий 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении к диссертации охарактеризованы достоинства и преимущества лазерных методов обработки, обоснована актуальность изучения физических процессов происходящих в эрозионном факеле.

Первая глава посвящена обзору литературы по исследованию лазерных эрозионных факелов с наличием жидкокапельной фазы. При воздействии лазерного излучения умеренной плотности мощности (105-107 Вт/см2) на металлы, происходит их нагрев, плавление и испарение. В эрозионный факел наряду с прозрачными парами поступают и мелкие жидкие капли. При определенных плотностях мощности лазерного излучения, характерных для каждого металла, мелкодисперсная фаза материала мишени начинает поступать в эрозионный факел практически с самого начала воздействия. Эта жидкокапельная фаза формируется за счет объемного парообразования. К концу лазерного импульса в эрозионный факел поступают более крупные жидкие капли, образующиеся за счет гидродинамического механизма. При этом за ечет поглощения и рассеяния энергии лазерного импульса на частицах жидкокапельной фазы, значительная часть воздействующего излучения не достигает поверхности мншени. Исследования частиц жидкокапельной фазы, формирующейся за счет объемного парообразования показали, что при удалении от поверхности мишени размеры частиц и их концентрация уменьшаются из-за доиспарения в процессе движения частиц навстречу лазерному лучу. Доиспаряясь частицы создают вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров. При увеличении плотности мощности воздействующего излучения происходит плазменная вспышка, сопровождаемая резким увеличением поглощения в эрозионной плазме (вспышка поглощения). Таким образом, диапазон плотностей мощности воздействующего излучения, при котором жидкока-пелглше частицы материала мишени, поступающие в эрозионный факел за счет объемного парообразования, существенно влияют на оптические характеристики лазерных эрозионных факелов, определяется с одной стороны началом объемного парообразования, с другой стороны, появлением вспышки поглощения, инициируемой доис-паряющимися частицами материала мишени. Для большой группы металлов эти диапазоны были экспериментально измерены. Исследования размеров жидких капель за счет объемного парообразования при различных плотностях мощности воздействующего излучения показали, что с увеличением плотности размеры частиц уменьшаются. Это связано как с уменьшением толщины расплава из-за увеличения скорости фронта испарения, так и за счет интенсивного доиспарения частиц в процессе их движения навстречу падающему лучу.

Однако все эти эксперименты были проведены с импульсом излучения неодимо-вого лазера, работающего в режиме свободной генерации. Этот режим излучения характеризуется тем, что импульс излучения состоит из "пичков", хаотически распределенных во времени и пространстве. Последнее затрудняет получение точных количественных характеристик воздействующего излучения и исследователь имеет дело с его усредненными временными и пространственными характеристиками. К тому же, в режиме свободной генерации принципиально облегчается процесс объемного парообразования за счет пространственно-временной неоднородности нагрева мишени. В связи с вышеизложенным, представляет интерес исследовать образование жидкокапельной фазы материала мишени при воздействии на нее гладких лазерных импульсов, с неизменяемыми в процессе воздействия пространственно-временными характеристиками и определить точные значения плотности мощности излучения, при которых происходят процессы образования жидких капель. Не меньший интерес представляет и выявление влияния формы лазерных импульсов и степени их модуляции на количественные характеристики образующихся жидкокапельных частиц и динамику их образования. Для этой цели была разработана и создана лазерная установка позволяющая получать прямоугольные импульсы генерации неодимового лазера с регулируемыми пространственно-временными характеристиками, описание которой приведено во второй главе.

Установка состоит из задающего генератора и двух усилителей, изготовленных на основе промышленных излучателей ГОС-ЮОШ на основе неодимовых стеклянных рабочих тел (Х=1.06мкм) и диагностической части, позволяющей проводить зондирование эрозионного факела в воздухе и обработку полученных результатов. Использование в задающем генераторе сферических зеркал позволило получить режим генерации близкий к квазистационарному. При помощи механического затвора из исходного импульса вырезался прямоугольный участок, который в дальнейшем усиливался. Такой задающий генератор позволял получать импульсы различной формы при незначительных изменениях конструкции резонатора. После усиления энергия прямоугольного импульса достигала 500 Дж за 400 мке, Размер пятна на поверхности мишени, помещенной в интегрирующую сферу, составлял в зависимости от условий эксперимента 5-9 мм, что позволяло реализовать близкий к одномерному режим испарения мишени. Изменение плотности мощности на поверхности мишени осуществлялось нейтральными светофильтрами при неизменном уровне накачки усилителей и задающего генератора. Контроль равномерности излучения производился оптическим многоканальным регистратором на основе ПЗС-матрицы.

Диагностическая часть установки состоит из рубинового лазера, интегрирующей сферы, в центре которой помещалась мишень, и автоматизированной системы обработки информации. Рубиновый лазер (л=0.69 мкм) работал в режиме генерации регулярных импульсов с общей длительностью генерации ~2 мс. Зондирующее излучение рубинового лазера направлялось в интегрирующую сферу таким образом, чтобы оно

проходило на определенном расстоянии от поверхности мишени, перпендикулярно падающему плазмообразукицему излучению и выходило через отверстие на противоположной стороне сферы. Измеряя падающее (Рпм(0) на эрозионный факел и прошедшее (Рщ,(.0) через него излучение рубинового лазера можно было определить потери в зондирующем луче. Для регистрации рассеянной компоненты (Рт(0) существовало

отверстие в теневой части сферы, излучение из которого попадало на фотоумножитель. Таким образом, в эксперименте одновременно регистрировались />пи(!), Р„р(0, Р' (/). Из баланса энергии очевидно соотношение:

где Рш(0 плотность мощности поглощенная в эрозионном факеле. Отсюда можно определить коэффициенты пропускания Л",ф(0 - ' Ргаа (') н рассеяния Крх (0 ~ Ррх (О I (О зондирующего излучения, а из баланса энергии найти коэффициент поглощения Ктг (/) = Ртг (/) / Рт (I),

Для вычисления и определения хода кривых К ,Кп„(1) использова-

лась многоканальная автоматизированная система регистрации и обработки аналоговых сигналов, позволяющая проводить в реальном масштабе времени запоминание и накопление экспериментальных данных. Съем информации с регистратора и ее последующая обработка осуществлялись с помощью ЭВМ и специально разработанной программы.

Используя теорию рассеяния света на частицах и полученные в эксперименте коэффициенты рассеяния и поглощения зондирующего излучения можно определить размеры образующихся частиц, а но соотношению К (I) и Л"„„,(0 делать вывод о

размерах частиц и механизме их образования.

Известно, что для сферических частиц, размеры которых гораздо меньше длины волны зондирующего излучения, справедливо соотношение:

где с! - диаметр частиц, X - длина волны зондирующего излучения, и (Л,,., - безразмерные коэффициенты рассеяния и поглощения, отнесенные к площади поперечного сечения частицы. Комплексный показатель преломления т связан с показателем преломления п и показателем поглощения % соотношением т= п-щ.

При однократном рассеянии д^! й„ог = К^ / Ктс, следовательно, контролируя соотношение Крк / Кт, можно из (2) найти размеры образующихся частиц при условии, что д.« X.

Для контроля размеров более крупных частиц необходимо учитывать соотношение между поглощенной и рассеянной компонентой исходя из теории Ми. Согласно этой теории факторы рассеяния и поглощения выражаются через ряды с комплексными

0)

2

(2)

коэффициентами, которые определяются функциями Риккати-Бесселя. Хотя ряды и являются бесконечными, в численном расчете достаточно учитывать конечное число членов ряда. Сравнивая полученные в результате расчетов отношение ()рж / Ц)^ с полученным в эксперименте I Ктг можно найти размеры частиц.

Как было сказано выше, исследования образования жидкокапельной фазы проводились ранее для режима свободной генерации. Хаотически изменяющиеся во времени и пространстве параметры импульса свободной генерации могут существенно облегчить процесс объемного парообразования и, при определенных условиях, инициировать вспышку поглощения в факеле.

Для выяснения влияния пространственно-временных неоднородностей воздействующего излучения на процессы приводящие к потерям излучения в эрозионном факеле, в третьей главе, для мишеней из металлов, характеризуемых низкой температурой плавления (Эп, С<1, РЬ, Xп), представлены результаты измерений диапазонов плотности мощности лазерного импульса прямоугольной формы, в котором частицы жидкокапельной фазы, образующиеся за счет объемного парообразования, существенно влияют на оптические характеристики эрозионного лазерного факела. Нижний предел этого диапазона определяется появлением поглощения и рассеяния излучения за счет частиц, верхний - вспышкой поглощения. Результаты экспериментов и их сравнение с режимом свободной генерации приведены в таблице:

Металл Свободная генерация Прямоугольный импульс

Нижний предел МВт/см2 Верхний предел МВт/см2 Нижний предел МВт/см2 Верхний предел МВт/см2

Цинк 0,9 2,65 2 5,4

Кадмий 0,7 1,9 1 3,5

Свинец 0,3 0,9 0,9 зд

Олово - - 0,7 3

Из таблицы видно, что наличие пространственно-временной неоднородности воздействующего импульса облегчает как процесс образования капель в эрозионном факеле, так и инициирование в нем вспышки поглощения. Качественная картина образования вспышек поглощения при воздействии прямоугольного импульса похожа на картину при воздействии на мишень импульса свободной генерации, но при этом, порог вспышки поглощения в продуктах лазерной эрозии при прямоугольном импульсе излучения выше, чем при импульсе свободной генерации. Это можно объяснить тем, что в импульсе свободной генерации всегда имеются отдельные пички превышающие в несколько раз среднюю плотность мощности в импульсе.

Спектроскопические измерения параметров плазмы показали, что также как и для режима свободной генерации, суммарный коэффициент поглощения зондирующего излучения в плазме гораздо меньше получаемых в эксперименте. Это говорит о том, что и в случае воздействия прямоугольного импульса основные потери излучения в факеле происходит за счет рассеяния и поглощения на частицах жидкокапельной фазы.

Как известно, находящиеся в факеле частицы, при движении их навстречу лазерному лучу доиспаряются и на определенной высоте от поверхности мишени прекращают влиять на прохождение излучения. Для проверки этого положения, при воздействии импульса прямоугольной формы, проведено зондирование факела па различных расстояниях от поверхности мишени для цинка, при плотности мощности воздействующего излучения 3,5 МВт/см2. Показано, что качественно и количественно результаты экспериментов для "хаоса" и прямоугольника совпадают, и на высотах 10-15 мм плияпие частиц на потери излучения незаметно.

Экспериментально определены размеры и концентрация жидких капель свинца, образующихся за счет механизма объемного парообразования для различных плотностей мощности и высот зондирования. Показано, что в начале воздействия частицы имеют минимальные размеры, которые с течением времени увеличиваются, это объясняется увеличением толщины жидкой ванны и, как следствие, образованием более крупных частиц. Показано, что в процессе движения навстречу падающему на мишень лучу капли свинца доиспаряются и при этом уменьшаются их размеры и концентрация. При больших плотностях мощности образуются частицы меньшего диаметра, но большей концентрации.

Сравнение с аналогичными экспериментами для режима свободной генерации показало, что диаметры частиц в обоих случаях близки. Это, вероятно, обусловлено тем. что размеры образующихся частиц, в основном, зависят от теплофизических свойств материала мишени, однако, концентрация частиц при воздействии лазерным импульсом свободной генерации в несколько раз выше, чем при воздействии импульсом прямоугольной формы, что говорит о том, что пространственно-временная неоднородность лазерного импульса существенно увеличивает количество частиц поступающих в эрозионный факел.

Одним из основных материалов используемых в лазерной обработке, являются твердые стали различных типов. Исходя из этого, изучены оптические характеристики эрозионных факелов металлов, входящих в сплавы на основе железа, (ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель). При плотности мощности -2 МВт/см2 для группы металлов (ваиадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель), получены временные зависимости коэффициентов рассеяния и поглощения. Па основе этого показано, что механизм образования жидкокапельной фазы, такой же, как и при воздействии в режиме свободной генерации, (в начале воздействия в эрозионный факел поступает жидкока-пельная фаза, образующаяся за счет объемного парообразования, к концу импульса, за счет гидродинамического механизма, в факел поступают более крупные капли). Количественные отличия в поведении Я"рк(0 и 1(^(1) для исследованных металлов объясняются различием их теплофизических свойств. Более детальное изучение оптических характеристик перечисленных выше металлов, при плотности мощности 2,5 МВт/см2 и диаметре пятна облучения 0,9 см показало, что образование, частиц сильно отличается по времени начала и интенсивности процесса, в зависимости от металла, выбранного в

качестве мишени. Оценка размеров частиц по формуле (2) показала, что для всех исследованных металлов размеры образующихся частиц гораздо меньше длинны волны зондирующего излучения. Самые мелкие частицы образуются у марганца, несколько большие по размеру у кобальта и железа, самые крупные у никеля и хрома.

Для всех металлов наблюдалась некоторая задержка во времени формирования жидкокапельной фазы с момента начала воздействия импульса неодимового лазера. Эта задержка незначительна для мишеней из ванадия и кобальта, несколько больше у мишеней из хрома и железа и самая большая у никелевой мишени, что связано с оптическими и теплофизическими свойствами металлов. Образование жидкокапельной фазы у марганца происходит практически без задержки, что связано со специфической структурой чистого марганца

Измерения во времени размеров частиц жидкокапельной фазы для мишеней из никеля и кобальта в диапазоне плотностей мощности от 1,5 до 10 МВт/см2, показали, что плотность мощности воздействующего лазерного излучения сильно влияет на время задержки образования жидких капель, на их размеры и концентрацию. С увеличением плотности мощности, размеры частиц уменьшаются. Это можно объяснить тем, что при больших плотностях мощности толщина жидкого слоя металла в зоне воздействия становится меньше за счет большей скорости фронта испарения, а толщина расплавленного слоя может влиять на предельный размер частиц. С другой стороны, при больших плотностях мощности может происходить более интенсивное доиспарение частиц падающим излучением неодимового лазера.

На примере никелевой мишени, измерена зависимость времени задержки появления жидкокапельной фазы от плотности мощности падающего на мишень излучения, которая изменялась от 150 до Юмкс при изменении плотности мощности от 2 до 10 МВт/см2.

Для исследованных металлов были установлены пороговые плотности мощности, при которых начинает действовать процесс объемного парообразования и в эрозионный факел поступает мелкодисперсная жидкокапельная фаза материала мишени. Самый низкий порог начала объемного парообразования у марганца - 0,22 МВт/см2. У ванадия порог равен 0,82 МВт/см2, у хрома -1 МВт/см2, у железа -1,4 МВт/см2, у никеля - 2,2 МВт/см2, у кобальта - 2,3 МВт/см2.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что процесс разрушения материала мишени при воздействии прямоугольного лазерного импульса качественно аналогичен разрушению происходящему при воздействии на мишень в режиме свободной генерации, а имеющиеся различия носят количественный характер.

В четвертой главе для выяснения влияния временной формы лазерного импульса на образование мелкодисперсной жидкокапельной фазы были поставлены эксперименты по воздействию на мишени из свинца, излучения неодимового лазера в виде одиночного импульса прямоугольной формы с длительностью ~50 мке, двойного импульса, состоящего из короткого (-50 мке) первого импульса и более длинного второго

(-350 мкс), с расстоянием между ними 0-70 мкс, а также импульса с резким всплеском в его начале.

При воздействии импульса длительностью 50 мкс, картина образования частиц такая же, как и при воздействии более длинным импульсом (вначале в факел поступают мелкие частицы, вследствие объемного парообразования, к концу импульса - более крупные из-за гидродинамического механизма).

При воздействии излучения в виде двойного импульса, при средней плотности мощности 2,2 МВт/см2, динамика эрозионного факела существенно отличается от воздействия одиночного импульса.

Поскольку, после окончания воздействия первого импульса, в эрозионном факеле находятся крупные частицы, то в начале воздействия второго импульса появляется дополнительное поглощение излучения. С течением времени, размеры этих частиц уменьшаются из-за доиспарения и, с увеличением толщины жидкой ванны, в зоне воздействия вновь появляются частицы за счет объемного парообразования. К концу действия основного импульса снова начинает работать гидродинамический механизм и в факел поступают крупные частицы.

Воздействие на мишени квазинепрерывного импульса, с резким всплеском в начале, приводит к поглощению падающего излучения уже с самого начала его действия, из-за поступления в эрозионный факел частиц, образованных за счет гидродинамического механизма.

При воздействии на мишени из цинка и свинца серии из пяти лазерных импульсов, с длительностью отдельного импульса 50 мкс и средней плотностью мощности 2 МВт/см2, обнаружен "накопительный механизм" образования жидкокапельных частиц. Т.е. образующиеся от предыдущего импульса частицы не успевают доиспариться к моменту начала следующего импульса. При увеличении расстояния между импульсами до некоторого, характерного для каждого металла значения, накопительный механизм прекращает действовать.

Для выяснения влияния более мелких пульсаций импульса неодимового лазера, т.е. таких, какие существуют при свободной генерации (длительность отдельного импульса 1-3 мкс), проведены эксперименты по воздействию излучения неодимового лазера на свинцовые мишени прямоугольным импульсом, и таким же импульсом, но с .10% и 100% модуляцией пичками, при плотности мощности 2,2 МВт/см2. Эксперименты показали, что диаметр поступающих в факел за счет объемного парообразования частиц, слабо зависит от временной формы импульса. Это говорит о том, что размеры частиц связаны с гидродинамическими явлениями, определяемыми теплофизическими характеристиками металла. В противоположность размерам частиц, их концентрация сильно зависит от режима генерации и уменьшается с уменьшением пульсаций воздействующего излучения. Такое поведение концентрации можно объяснить тем, что при увеличении модуляции лазерного излучения происходит локальный перегрев мишени, формирование и взаимодействие волн в расплаве и, как следствие, образуется большее

количество жидких капель. Таким образом, при прочих равных условиях, временная неоднородность излучения является существенным фактором способствующим объемному парообразованию.

Для проверки точности определения размеров частиц с помощью лазерного зондирования, в пятой главе были поставлены модельные эксперименты с пористыми металлическими мишенями, полученными прессованием порошков алюминия и вольфрама. Размеры частиц вольфрамового порошка предварительно измерялись с помощью электронного микроскопа с целью получения распределения частиц по размерам. Из него были вычислены средний радиус частиц гср, эффективный размер по рассеянию и ио поглощению г^'. Они оказались следующими: лср=0,038 мкм, ^=0,046 мкм, г;°г =0,044 мкм. Экспериментально измеренный радиус частиц составил /ц, =0,041 мкм. Как видно, результаты полученные двумя методами достаточно близки, что говорит о надежности измерений. Хотя измерения при помощи электронного микроскопа более детальны, но они не позволяют контролировать размеры частиц в динамике. Измерения размеров частиц с помощью лазерного зондирования позволяет контролировать частицы во время их движения в реальном масштабе времени.

Помимо проверки точности измерений, использование в экспериментах порошковых мишеней позволило получить управляемые двухфазные потоки, состоящие из плазмы и твердых или жидких частиц. При лазерном воздействии на такие мишени, начиная с определенной плотности мощности лазерного излучения, происходит селективное испарение частиц в эрозионном факеле. Алюминиевые частицы, доиспаряясь, создают основную паровую и плазменную среду в факеле, а частицы вольфрама сохраняют свои размеры без изменений.

Таким образом, воздействуя лазерным излучением на мишень, полученную из смеси вольфрамового и алюминиевого порошков, при определенной плотности мощности можно проводить селективное доиспарение частиц в продуктах эрозии с контролем состава двухфазного потока Это может быть полезным при проведении некоторых модельных экспериментов по изучению как продуктов эрозии, так и двухфазных потоков вообще.

Как было сказано выше, объемному парообразованию в металлах, при воздействии на них лазерного излучения могут способствовать различные факторы: пространственно-временная неоднородность воздействующего импульса, растворенные в металле газы, примеси и структурные неоднородности. Были поставлены эксперименты по выявлению приоритетности этих факторов.

Для определения роли газов содержащихся в металлах при объемном парообразовании, проводилось воздействие на мишени из свинца, полученных путем переплавки в вакууме и воздухе, с различным содержанием растворенных газов, импульсом свободной генерации длительностью 400 мке и гладким прямоугольным импульсом, при плотности мощности 6,5-Ю5 Вт/см2. Показано, что различные условия воздействия, как с точки зрения газосодержания в материале мишени, так и пространственно-временной

неоднородности воздействующего лазерного излучения, слабо влияют на размеры частиц материала мишени. Их размеры, вероятно, определяются теплофизическими свойствами металла. Что же касается концентрации, то минимальное количество частиц образуется у свинца с малым содержанием газов, при воздействии на него прямоугольного импульса, максимальная - у свинца с большим содержанием газов, при воздействии импульсом свободной генерации. Следовательно, количество газов, содержащихся в металле, так же, как и временная неоднородность воздействующего излучения, облегчают процесс объемного парообразования частиц.

Влияние структурных неоднородностей на объемное парообразование, рассмотрено при воздействии па мишени из моно- и поликремния. (У автора не было в распоряжении монокристаллов металла но, как известно, при воздействии мощного лазерного излучения на полупроводниковые материалы они металлизируются и в дальнейшем ведут себя как металл). Эксперименты показали, что для поликремния частицы образуются при плотное™ мощности воздействующего излучения 2,7- 10б Вт/см2, у монокремния - при 4,2-106 Вт/см2. При этом у монокремния образование мелкодисперсной жидкокалельной фазы происходит более резко и интенсивно. Сделан вывод, что основной фактор, который приводит к образованию жидкокалельной фазы у поликрем- -ния, является объемное парообразование, которое облегчается за счет структурных неоднородностей, приводящих к локальному перегреву. У монокремниевой мишени таких структурных неоднородностей нет, однако, при больших плотностях мощности, и в этом случае, в эрозионном факеле также появляется жидкокапельная фаза.

Для моделирования влияния искусственных вкраплений на объемное парообразование, проводилось воздействие па мишень из монокремния загрязненного относительно крупными частицами абразивного материала. Показано, что различные включения более существенно влияют на процесс объемного парообразования, нежели структурные неоднородности.

Проведенные эксперименты позволили сделать вывод, что для реальных металлов формирование эрозионного факела с мелкодисперсной жидкокапельной фазой материала мишени за счет объемного парообразования облегчается, прежде всего, за счет газов, растворенных в металле, и пространственно-временной неоднородности лазерного излучения. Действие этих двух факторов соизмеримо. Следующим по важности фактором является наличие в металле различных включений и искусственных центров. При отсутствии этих трех факторов процессу объемного парообразования способствуют структурные неоднородности. И, наконец, при отсутствии всех этих факторов образование жидкокапельной фазы хотя и затруднено, однако также реализуется при увеличении плотности мощности. Это может происходить как из-за неустойчивости фронта испарения, так и за счет взрыва метастабильпой жидкости.

ВЫВОДЫ

1. Разработана и создана мощная лазерная установка на основе стекла, активированного неодимом и найдены режимы генерации и усиления импульсов излучения прямоугольной формы (энергия до 500 Дж) регулируемой длительности (50-500 мкс) и пространственно-временной структуры, а также программа для автоматизированной системы сбора, хранения и обработки информации при исследовании эрозионных факелов с помощью лазерного зондирования.

2. Для мишеней из легкоплавких металлов экспериментально найдены диапазоны плотности мощности лазерного импульса гладкой прямоугольной формы (Л.=1,06 мкм), в которых частицы жидкокапельной фазы, образующиеся за счет объемного парообразования, существенно влияют на оптические характеристики эрозионного плазменного факела. Нижний предел диапазона определяется появлением поглощения и рассеяния излучения за счет частиц, верхний - вспышкой поглощения в плазме факела. Эти диапазоны следующие: для олова - 0,7-3 МВт/см2; для свинца - 0,9-3,2 МВт/см ; для кадмия 1-3,5 МВт/см2; для цинка - 2-5,4 МВт/см2.

3. На основании изученных оптических характеристик продуктов разрушения при воздействии прямоугольного лазерного импульса на металлы, входящие в состав различных сталей (ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель), определены пороги начала объемного парообразования. Из исследованных металлов самый низкий порог начала объемного парообразования у марганца - 0,22 МВт/ем2, у ванадия - порог равен 0,82 МВт/см2, у хрома - 1 МВт/см2, у железа - 1,4 МВт/см2, у никеля - 2,2 МВт/см2, у кобальта 2,3 МВт/см2. Показано, что плотность мощности лазерного излучения существенно влияет на время задержки образования жидких капель и на их размеры - при увеличении плотности мощности воздействующего излучения, задержка во времени появления капель и их размеры уменьшаются.

4. Обнаружен "накопительный" механизм образования частиц при воздействии серии прямоугольных импульсов лазерного излучения на металлы, заключающийся в увеличении их концентрации в плазменном факеле за счет воздействия предыдущих импульсов. Исследования эрозионных факелов, возникающих при воздействии на металлы двойного лазерного импульса, состоящего из короткого (-50 мкс) первого импульса и более длинного второго (-350 мкс) с различным временным интервалом между ними, показали, что наличие "всплеска" интенсивности в начале лазерного импульса существенно влияет на всю последующую динамику эрозионного факела.

5. Диаметр частиц, формирующихся за счет объемного парообразования, слабо зависит от пространственно-временной формы лазерного импульса, однако, концентрация образующихся частиц тем больше, чем больше пространственно-временная неоднородность лазерного импульса.

6. Экспериментально показано, что для реальных металлов формирование эрозионного плазменного факела с мелкодисперсной жидкокапельной фазой материала мишени, образующейся в результате объемного парообразования, облегчается за счет га-

зов, растворенных в металле, и пространственно-временной неоднородности лазерного излучения. Действие этих факторов по степени влияния соизмеримо. Следующий по значимости фактор - наличие в металле различных инородных включений. При отсутствии этих трех факторов процессу объемного парообразования способствуют структурные неоднородности материала мишепи. И, наконец, при отсутствии всех этих факторов образование жидкокалельной фазы хотя и затруднено, но реализуется при большей плотности мощности, из-за взрыва метастабильной жидкости или неустойчивости фронта испарения.

7. Воздействием лазерного излучения на пористые металлические мишени получены управляемые по составу двухфазные потоки, исследование которых с помощью лазерного зондирования и электронной микроскопии показало, что методика определения размеров частиц с помощью лазерного зондирования достаточно надежна и позволяет контролировать размеры частиц во время их движения, в реальном масштабе времени.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Концевой B.JI. Товмасян С.К. Использование оптического многоканального анализатора дня настройки сложных оптических систем. // II Университетский семинар: Применение лазерной и оптико-электронной техники в народном хозяйстве. Тез.

докл. - Минск, 1985. С. 54-55.

2. Оптический многоканальный анализатор для исследования двумерных распределений иптенсивностей / В.К. Гончаров, В,Г. Кваченок, A.B. Колесник. B.R. Колесников, В.Л. Концевой, В.В. Ревинский. С.К. Товмасян, А.Ф. Чернявский - Препринт № 12 /Физический институт АН СССР.- М„ 1986. - 26 с.

3. Динамика образования частиц жидкокапельной фазы при воздействии на металлы лазерного импульса прямоугольной формы / В.К. Гончаров, В.И. Карабань, В.Л. Концевой, Т.В. Стасюлевич // 8 Всесоюзная конференция по взаимодействию оптического излучения с веществом. Тез. докл. конф. - Ленинград, Т.2,1990. - С. 22.

4. Гончаров В.К.. Карабань В.И, Концевой В.Л. Влияние временной структуры лазерного импульса на динамику эрозионного факела // 8 Всесоюзная конференция по взаимодействию оптического излучения с веществом. Тез. докл. конф. - Ленинград, Т.2, 1990. - С. 23.

5. Воздействие на металлические мишени импульса неодимового лазера в различных режимах 1енерации. / В.К. Гончаров. В.И. Карабань, В.Л. Концевой, Т.В. Стасюлевич//Известия АН СССР - 1990. - Т.55, № 6 - С. 1168-1172.

6. Взаимодействие прямоугольного импульса излучения неодимового лазера с металлами /В.К. Гончаров, В.И. Карабань, B.JI. Концевой, Т.Н. Стасюлевич // Квантовая электроника. -1991. - Т.18, № 7. - С. 872-876.

7. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Стасюлевич Т.В. Контроль размеров частиц жидкокапельной фазы эрозионного факела в реальном масштабе времени // Сборник:

"Актуальные проблемы социально-гуманитарных и естественных наук" Минск, Вы-шейшая школа, 1991. С. 112.

8. Гончаров В.К., Карабань В.И. Концевой B.JI. Влияние временной структуры лазерного импульса на динамику эрозионного факела // Квантовая электроника -1993. -Т.18,№10.-С. 1231-1233.

9. Гончаров В.К., Концевой B.JI., Пузырев М.В. Роль различных факторов, способствующих объемному парообразованию в металлических лазерных мишенях // Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии". Тез. докл. конф. - Гродно, 1993. - С. 267-269.

10. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Получение двухфазных потоков и их исследование методом лазерного зондирования // Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии". Тез.докл.конф. - Гродно, 1993,-С. 270-272.

11. Гончаров В.К., Концевой В Л., Пузырев М.В. Исследование жидкокапельной фазы эрозионных лазерных факелов металлов, входящих в состав сплавов на основе железа. Н Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии". Тез. докл. конф. - Гродно, 1993.- С. 267-269.

12. Гончаров В.К., Концевой B.JI., Пузырев М.В. Воздействие прямоугольного импульса неодимового лазера на пористые металлические мишени // Инженерно-физический журнал. -1994. - Т.66 №2. - С. 179-183.

13. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию // Инженерно-физический журнал. - 1994. -Т.66. №6. - С. 662-667.

14. Гончаров В.К., Концевой B.JI., Пузырев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с металлами, входящими в состав сплавов на основе железа // Инженерно-физический журнал. - 1994. - Т.66. №5. -С. 585-589.

15. Гончаров В.К., Концевой B.JI., Пузырев М.В, Сметанников A.C. Контроль размеров частиц мелкодисперсной конденсированной фазы эрозионных плазменных потоков в реальном времени // Приборы и техника эксперимента - 1995. - №5, - С. 146155.

16. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Влияние различных факторов на динамику лазерных плазменных факелов металлов // First Belarussian-Yugoslavian symposium on physics and diagnostics of laboratory & astrophysical plasma. PDP-I, 96, Jul 1-3, Minsk, Publ. Obs. Astron. Belgrade. Тез.докл.конф. -1996. - №53. С. 13-15.

РЭЗЮМЭ

Канцапы Валянцш Лсан1дав1ч

УПЛЫУ ЧАСАВАЙ ФОРМЫ УЗДЗЕЙН1ЧАГА ЛАЗЕРНАГА ВЫПРАМЕНЬВЛННЯ НА ХАРАКТАРЫСТЫК1ЭРА31ЙНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ

ФАКЕЛА$

эразишы цлазмешш факел, экрашроука, лазернае уздзеянне 1 зандз1раванне, крогап! часпшы дробнадысперснай фазы, аб'смнае нараутварэнне.

Даследаваны аптычныя характарыстыи эразшных плазменных факелау разнастайных металау пры уздзеянш на ¡х ¡мпульсу неадымавага лазера. Экперыментальна выяулен уплыу часава-прасторавых неаднароднасцей лазернага вьшраменьвання на утварэнне часцщ у эразШнам плазменным факеле. Факел фарм^равауся пры уздзеянш на мшэнь ¡мпульсау вьшраменьвання разнастайнай формы (прамавугольнай с рознай ступешпо мадуляцьп, серыя ¡мпульсау ! ¡нш.), яК1я атрымл1валкь пры дапамозе спецыяльна створанай лазернай устаноум. Асноуным метадам даследаванняу з'яуляуся метад панярочнага занд:«равання эразшнага плазменнага факелу выпраменьваннем дапаможнага рубшавага лазера. Анрацоуванне вышкау эксперименту здзяйснялася мнагаканальным аутаматьпаваным рэпстратарам. Атрыманыя выши дазволш вызначьггь ф131чную карцшу утварэния часцщ вадкакропельнай фазы 1 ¡х уплыу на аптычныя характарыстыю эразшнага факела. Экспериментальна вымсраны нароп з'яуленпя рассейвання 1 паглынання лазернага иьшраменьвання на часцщах вадкакропельнай фазы для разлзжовых металау. Вызначана прыярытэтнасць фактарау садзейшчаючых аб'емнаму пара^тварэншо. Атрымапы юруемыя па складу двухфазныя патом. Показана, што методыка вызначэння памерау часцщ надзейная 1 дазваляе кантраляваць ¡х у рэальным маштабе часу. Атрыманыя вынш дазволяць прагназаваць 1 вызначаць алтымальныя рэжымы лазерной апрацо$та розных матэрыялау.

РЕЗЮМЕ

Концевой Валентин Леонидович

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕННОЙ ФОРМЫ ВОЗДЕЙСТВУЮЩЕГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭРОЗИОННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ

ФАКЕЛОВ

эрозионный плазменный факел, экранировка, лазерное воздействие и зондирование, капли и частицы мелкодисперсной фазы, объемное парообразование.

Исследованы оптические характеристики эрозионных плазменных факелов различных металлов при воздействии на них импульса излучения неодимового лазера. Экспериментально определено влияние пространственно-временной неоднородности воздействующего лазерного излучения на процессы образования частиц в эрозионном плазменном факеле. Факел формировался при воздействии на мишень импульсов излучения различной формы (прямоугольной с различной степенью модуляции, серии импульсов и пр.), которые получались при помощи специально разработанной лазерной установки. Основным методом исследования, являлся метод поперечного зондирования эрозионного факела излучением вспомогательного рубинового лазера.. Обработка результатов эксперимента осуществлялась многоканальным автоматизированным регистратором. Полученные результаты позволили определить физическую картину образования частиц жидкокапельной фазы и их влияние на оптические характеристики эрозионного плазменного факела. Экспериментально измерены пороги появления рассеяния и поглощения на частицах жидкокапельной фазы для различных металлов, а также пороги появления поглощения в плазме для легкоплавких металлов. Определена приоритетность факторов, способствующая объемному парообразованию. Получены управляемые по составу двухфазные потоки. Показано, что методика определения размеров частиц надежна и позволяет контролировать их в реальном масштабе времени. Полученные результаты позволят прогнозировать и определять оптимальные режимы лазерной обработки различных материалов.

SUMMARY

Kontsevoi Valentin Leoniilovich

INFLUENCE OF THE TEMPORARY FORM OF LASER RADIATION ON CHARACTERISTICS OF EROSION PLASMA JETS

laser, erosive plasma jet, cable braiding, laser exposure and probing, drops and particles ol" finely dispersed phase, bulk evaporation.

Optical characteristics of the erosive jets of metals have been investigated. These jets were produced by the neodymium laser rectangular pulse. The influence of the spatial-temporal inhomogeneousness of the laser emission on drops formation in the erosion jets have been determined in experiments. The special laser setup was made. It allow to determine the inhomogeneous radiation influence on particles formation. The basic method applied to the above experiments consist of the erosive jets cross probing by an additional ruby laser. The experimental data were processed by multy-chennal automatic detector. The experimental results allowed to determine the physical pattern of the particles formation for the liquid-drop phase and influence of particles on optical characteristics of the erosive jets. The thresholds of scattering and absorption liquid drops initiation for different metals have been measured by experimental methods; thresholds of absorption initiation in plasma for light-smelting metals have been measured too. Priority factor which facilitate bulk evaporation have been determined. Two-phase controlled flows have been obtained. It has been shown that the method allow to determine reliably drops dimensions and monitor them in over time. The experimental data allows to forecast and determine optimum modes of the laser operation of different metals.