Взаимодействие лазерного излучения с металламив режиме образования эрозионной плазмы с конденсированной дисперсной фазой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г? Г :"> л ч

4 1 ^ С Л

На правах рукописи Гончаров Виктор Константинович

Взаимодействие лазерного излучения с металлами в режима образования эрозионной плазмы с конденсированной дисперсной фазой

01.04.03 - "радиофизика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на сонсханпа ученой стапвни' доктора фнэико-натеиатнчоских наук

МИНСК - 1993

Работа выполнена в НИИ прикладных физических проблем им. А.Н.Севченко при Белгосуниверситете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик АНБ Астапчик С.А.

доктор физико-математических наук,

профессор

Склизков Г.В.

доктор физико-математических наук,

профессор

Янковский A.A.

Ведущая организация: Всеросийский научный центр

"ГОИ им. С.И.Вавилова"

Защита состоится декабря 1993 г. в 14 часоэ на

заседании специализированного Совета Д 056.03.09 в Белгосуниверситете (220082, г. Минск, пр. Ф.Скорины,4, главный корпус, комн. 206.)

С диссертацией • можно ознакомится в библиотеке Белгооуниверситета.

Автореферат разослан " ноября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор физико-математических наук, профессор • А , Апанасович В.В.

общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В настоящее время все большее распространение получают различные способы лазерной обработки материалов и, в частности, лазерная закалка, сварка, сверление и резка металлов. Это связано, с одной стороны, с созданием надезшых технологических лазеров, с другой стороны, о успехами в исследованиях по взаимодействию лазерного излучения с веществом.

Широкое применение в технологических целях получили газовые лазеры на осное$ СОаи твердотельные на основе неодима, генерирующие как в непрерывном режиме, так и в импульсном. При воздействии на металлы ео многих случаях более коротковолновое (г* 1 мкм) излучение неодимового лазера предпочтительнее длинноволнового (*10 мкм) лазера на С02> Это связано с тем, что многие металлы имеют значительно меньший коэффициент отражения на длине волны 1 мкм, чем на 10 мкм. С другой стороны, более длинноволновое излучение С02 -лазера сильнее поглощается плазмой врозионного факела, что порой сильно препятствует • прохождению лазерного излучения.к поверхности.мишени.

С точки зрения технологического воздействия лазерного излучения на металлы наиболее подходящим является излучение с плотностью мощности, находящейся в диапазоне 105-10в Вт/сма. Как правило, при плотности мощности воздействующего лазерного излучения 108-106 Вт/см2 производится закалка и сварка металлов, при плотности мощности 106-10а Вт/см3 - резка и сверление.

При воздействии лазерного излучения плотностью ■ мощности 10е- 10а Вт/см2 на металлы происходит их .нагрев, плавление и частичное испарение, причем пары, вылетающие навстречу лазерному лучу, формируют прозрачный для падающего лазерного излучения эрозионный факел. Процессы при данных плотностях мощности воздействующего излучения достаточно хорошо изучены кок теоретически, так и (экспериментально.

При воздействии на металлы лазерного излучения с плотностью мощности 106-10а Вт/сма поверхность мишени быстро нагревается, плавится и интенсивно испаряется. При этом обнаружено, что в

эрозионном факеле кроме плазмы и паров присутствует и кидкока-пельная фаза. При больших плотностях и температурах плазма может существенно влиять на прохождение лазерного излучения к зоне воздействия могут заметную роль играть также рассеяние и поглощение излучения на нмдкокапельной фазе материала мишени. Эти вопросы недостаточно изучены, что в некоторых случаях существенно затрудняет оптимизацию режимов лазерной обработки металлов. К тому же присутствие в продуктах эрозии частиц конденсированной фазы существенным образом может повлиять на параметры оро-зионного факела, что, в свою очередь, во многих случаях сдерживает теоретические исследования таких двухфазных потоков.

Воздействие лазерного излучения на вещество достаточно перспективно не только в технических, но и в научных целях. Оно используется как средство получения сверхзвуковых модельных потоков с управляемыми параметрами, как источник света для научных и технических целей. Однако, все эти применения сдерживаются отсутствием более детальных знаний фазового состава про-, дуктов эрозии, оптических характеристик эрозионных: факелов, влияния конденсированной фазы на параметры плазмы и их роль в плазмодинамике. Учитывая вышесказанное, актуальным с научной и технической точки зрения является комплексное изучение состава и параметров эрозионных факелов металлических мишеней при воздействии на них лазерного излучения в широком диапазоне изменения параметров.

Цель работы:

. - разработать.методы и аппаратуру автоматизированной системы регистрации и обработки оптических характеристик эрозионных лазерных факелов;

- выяснить вклад различных факторов в поглощение и рассеяние лазерного излучения в продуктах эрозии;

- выяснить механизм образования частиц яшдкокапельной фазы;

- определить роль частиц конденсированной фазы в динамике плазмообразования;

- изучить влияние энергетических и пространственно-временных параметров лазерного излучения на процессы образования конденсированной фазы материала мишени;

- определить приоритетность различных факторов, способству-

ющих образованию мелкодисперсной конденсированной фазы;

- экспериментально обосновать новую более адекватную модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности с учетом конденсированной фазы и определить пределы ее применимости.

Научная новизна:

- экспериментально установлено и количественно измерено влияние частиц конденсированной фазы на оптические характеристики лазерных эрозионных факелов;

- исследовано образование мелкодисперсной зкидкокапельной фазы уже с самого начала формирования эрозионного факела;

- обнаружена смена механизмов образования конденсированной фазы, вначале воздействия в факеле появляются мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования, к концу лазерного импульса в факел поступают крупные частицы за счет гидродинамического механизма;

- изучено пространственно-временное изменение поглощения и рассеяния лазерного излучения частицами материала мишени в эрозионном факеле;

- обнаружена низкопороговая плазменная вспышка, инициируемая частицами конденсированной фазы;

- на основании экспериментальных данных по измерению оптических характеристик эрозионных факелов металлов с различными теплофизическими свойствами в широком диапазоне изменения плотности мощности воздействующего излучения показано, что для каждого металла существует свой диапазон изменения плотности мощности излучения неодимового лазера, при котором основные потери излучения в эрозионном факеле определяются частицами конденсированной фазы;

- установлены общие закономерности и отличия процесса формирования и развития эрозионных факелов при различных плотностях мощности для большой группы металлов;

- экспериментально доказано, что частицы зкидкокапельной фазы материала мишени доиспаряются при движении навстречу лазерному лучу, создавая вокруг себя более плотную среду, чем- при адиабатическом разлете прозрачных паров:

- измерены пространственно-временные распределения размеров

и концентрации частиц мелкодисперсной жидкокапельной фазы материала мишени в зависимости от плотности мощности и пространственно-временных характеристик воздействующего лазерного излучения;

- определена приоритетность различных факторов, способст-ствующих объемному парообразованию в металлических мишенях;

- экспериментально обоснована более адекватная модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающая наличие в эрозионном факеле частиц конденсированной фазы.

Научная и практическая ценность работы.

Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись по союзным и республиканским целевым комплексным программам, постановлениям правительства и других директивных органов. Проведенные в работе исследования позволили экспериментально обосновать более адекватную модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающую конденсированную фазу материала мишени в продуктах эрозии. Для большой группы металлов экспериментально найдены пределы применимости этой модели.

Определена роль конденсированной фазы в процессах разрушения металлов и сплавов под действием лазерного излучения, что позволяет прогнозировать и определять оптимальные реашмы лазерной обработки металлов.

Разработана методика и аппаратура автоматизированного сбора, хранения и обработки информации в оптикофизическсм эксперименте, позволяющие исследовать размеры и концентрацию частиц конденсированной фазы в реальном времени их существования, а также быстро и надежно■проводить спектроскопические измерения. Эта методика используется также и для исследований при создании источников ультрафиолетового излучения и для контроля размеров частиц в процессе их формирования при изготовлении порошков для целей порошковой металлургии."

Защищаемые положения

1. Метод и аппаратура автоматизированного сбора, хранения и обработки ¡гнформащщ б сптиксфнзическом бксперймвктб, позболяю-

щие контролировать размеры и концентрацию частиц конденсированной фазы в реальном времени их существования.

2. Для каждого металла существует диапазон плотности мощности воздействующего излучения, в котором уже ' с самого начала образования эрозионного факела в него поступает жидкокапельная фаза материала мишени за счет объемного парообразования.

3. В первоначальной стадии воздействия в' эрозионный факел поступают мелкие частицы за счет объемного парообразования, в конце лазерного импульса происходит смена механизма образования частиц и в факел поступают крупные частицы за счет гидродинамического механизма.

4. Частицы жидкокапельной фазы, двигаясь навстречу лазерному лучу, доиспаряются, образуя вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.

5. При достижении определенной плотности мощности, характерной для каждого металла, в эрозионном лазерном факеле происходит низкопороговая плазменная вспышка, инициируемая частицами жидкокапелыюй фазы.

6. Результаты экспериментальных исследований по влиянию энергетических.и пространственно-временных характеристик воздействующего лазерного излучения на процессы образования жидко-капельной фазы.

7. Получение двухфазных потоков с управляемыми параметрами, результаты их исследований.

8. Определение приоритетности факторов, способствующих объемному парообразованию в лазерных мишенях.

9. Экспериментально обоснованная более адекватная модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающая в продуктах эрозии мелкодисперсную кидкокапельную фазу материала мишени и найденные пределы ее применимости.

Апробация работа и публикации

Основные результаты работы докладывались на X юбилейной национальной конференции по атомной спектроскопии с международным участием (Велико Тырново, Болгария, 1982 г.); VI Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984 г.); Всесоюзной конференции по

применению лазеров в народном хозяйстве (Звенигород, 1985 г.); VIII Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1936 г.); VII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988 г.); III Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989 г.); VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.); XIV Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Челябинск, 1991 г.); Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993 г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано более 30 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и под его руководством совместно с сотрудниками .лаборатории лазерной плазмодинамики НИИ прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко. В опубликованных совместно работах автор определял направление и ставил задачу исследований, участвовал в проведении и обсуждении экспериментов и расчетов, интерпретации результатов.

Во введении излагается состояние вопроса по исследуемой проблеме, обоснована актуальность задачи, сформулирована цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы,представлены сведения об апробации работы.

В первой главе рассматриваются вопросы взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности на металлы. Физические процессы, происходящие в металле при поглощении им лазерного излучения, заключаются в следующем. Лазерное излучение, падающее на поверхность, поглощается в тонком слое толщиной 10"s- Ю-6 см. Ответственным за это поглощение являются электроны проводимости, которые передают полученную энергию кристаллической решетке через неупругие столкновения с ионами решетки. Таким образом, в тонком слое металла начинает действо- 8 -

вать мощный тепловой источник.

При малых плотностях мощности воздействующего излучения q основными процессами являются нагрев и плавление металлов, при умеренных - существенный вклад вносит испарение. При воздействии лазерного излучения на металлы, когда существенную роль играет испарение, с течением времени в зоне воздействия возникает эрозионная лунка. Практически одновременно с.началом испарения начинается формирование лунки и плазменного факела. Сам по себе процесс испарения представляет собой унос вещества с поверхности облучаемого тела и является результатом газодинамического движения, которое возникает как следствие возрастания давления вблизи поверхности твердого тела за счет поглощения падающего излучения.

Как показывают скоростные фотосъемки эрозионных лазерных факелов, наибольшее свечение продуктов эрозии происходит вблизи мишени. При удалении от поверхности мишени свечение уменьшается и вновь резко увеличивается только на расстояниях в несколько сантиметров. Это объясняется тем, что испаренное вещество вылетает из эрозионной лунки как из сопла со сверхзвуковой скоростью. При обычных условиях воздействия, как правило, реализуется рея™ сверхзвукового истечения продуктов эрозии из лунки-сопла в условиях недорасширения и формирования струи с неподвижной ударной волной или диском Маха. При этом в неподвижной ударной волне скорость продуктов эрозии становится дозвуковой, поступательная энергия частиц струи переходит в тепловую, а свечение вследствие увеличения плотности и температуры резко увеличивается.

При острой фокусировке лазерного излучения металл, вначале испаряется в большой телесный угол, а затем по мере образования глубокой лунки формируется узкая струя. Однако, с течением времени лунка растет не только в глубину, но и в ширину и ее конечный диаметр может значительно превышать диаметр светового пятна. Это свидетельствует о том, что в формировании лунки, помимо процесса испарения, участвует ряд вторичных процессов: нагрев стенок образующимся внутри лунки паром, излучением продуктов эрозии и рассеянной радиацией с последующим их плавлением и гидродинамическим размывом истекающим газовым потоком. В результате гидродинамического механизма к концу лазерного воздействия

- Ь -

импульсом давления в эрозионный факел выбрасываются достаточно крупные (10-100 мкм) жидкие капли материала мишени, которые составляют значительную часть массы всего выброшенного из лушси вещества.

Однако поступление жидкокапельных частиц в эрозионный факел экспериментально замечено и на более ранних стадиях воздействия. Такие частички могут появиться за счет объемного парообразования в расплавленном слое металлической мишени. Хотя для идеальных металлов, не содержащих примесей и дефектов структуры, объемное парообразование в тонком слое поглощения при плотностях мощности 106-10° Вт/см2 затруднено, однако оно может реализоваться за счет пространственной неоднородности плотности мощности лазерного излучения, характерного для генерации в свободном* режиме. Может облегчаться объемное парообразование и за счет газов, растворенных в металлах. К объемному парообразованию могут привести и различные вкрапления и структурные неоднородности. Во многих работах по выявлению влияния объемного парообразования на формирование жидкокапельной фазы материал мишени использовалась острая фокусировка лазерного излучения на мишень и поэтому в этом случае кроме объемного парообразования начинает действовать и гидродинамический механизм образования капель. Для уточнения вопросов объемного парообразования необходимо ставить более тонкие эксперименты, позволяющие разделить механизмы образования частиц.

Теоретические оценки, а также детальные одномерные и двумерные расчеты лазерной плазмы с учетом конденсированной фазы для целого ряда металлов показывают, что роль конденсата весьма существенна и ее присутствие в плазменном факеле сильно изменяет параметры плазмы. С другой стороны, частицы конденсированной фазы материала мишени поглощают и рассеивают падающее на мишень лазерное излучение, и тем самым могут влиять на транспортировку энергии лазерного излучения через продукты эрозии к поверхности мишени. Поэтому необходимы комплексные исследования продуктов эрозии металлов при воздействии на них лазерного излучения умеренной интенсивности, позволяющие изучить динамику жидкокапельной фазы, ее влияние на прохождение лазерного излучения к поверхности мишени и на параметры эрозионного факела в целом, а также влияние частиц конденсированной фазы на динамику плазмо-

- 1С - .

образования, что позволило бы обосновать более адекватную модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности.

Во второй главе описываются методы и техника экспериментов при исследовании взаимодействия лазерного излучения с металлами. Для исследования взаимодействия лазерного излучения с продуктами разрушения разработан метод лазерного зондирования, позволяющий одновременно измерять долю прошедшего, рассеянного и поглощенного излучения зондирующего лазера. Для реализации этого метода лазерная мишень помещалась в интегрирующую сферу и через отверстия в этой сфере на мишень поступало излучение плазмообразующего неодимового лазера, а также падающее в поперечном направлении на эрозионный факел зондирующее и прошедшее излучение рубинового лазера. Кроме того, в теневой части мишени через отверстие в интегрирующей сфере выводилось излучение для регистрации рассеянной компоненты. Таким образом, в эксперименте удается одновременно контролировать плотность мощности падающего "(зондирующего) на эрозионный факел

излучения Р_„„ (1;), плотность мощности излучения, прошедшего че-пад

рез факел Р^Ш, и плотность мощности излучения, рассеянного факелом Р™,,^). Из баланса энергии очевидно соотношение:

^пвдМ +ррас<*> +Рпог<*> <1>

где: Р (1;) - плотность мощности зондирующего излучения, поглощенная эрозионным факелом.

Произведя нормировку к единице, получим:

Кпра) + «рао<*> + *пог"> • 1 (2)

При этом имеется ввиду:

Рпяо<1:) Рпог(1;)

V» %о<" «юг'" -т£>-">

Следовательно, измеряя Р (Ю, Р™^) и Р__„(1;), можно опреде-

ИаД Ир ^ЙС/

лить Кщ^) и Кр80(^), а следовательно, и вычислить из (2) Кпог^-

Для устранения влияния фоновых засветок излучения эрозионного факела, ламп накачки, воздействующего ноодимового лазера перед фотоприемниками, регистрирующими зондирующее, прошедшее и рассеянное излучение, ставятся стеклянные и интерференционные светофильтры. Кроме того, для этих же целей подбираются соответствующие частотные характеристики фотоприемников и временные характеристики"излучения зондирующего лазера.

Для автоматизированного сбора и обработки информации экспериментов по зондированию эрозионных лазерных факелов разработан многопараметрический автоматизированный регистратор (MAP), позволяющий производить:

- преобразование величины аналогового сигнала, снимаемого с датчика, в цифровой код по нескольким каналам (от 1 до 10);

- накопление информации в промежуточной буферной памяти;

- передачу содержимого буферной памяти в ЭВМ;

- отображение содержимого буферной памяти на осциллограф или двухкоординатный самописец..

map может работать с частотой дискретизации входного аналогового сигнала 100;200,400 и 800 не,' перекрывая при этом максимальный временной диапазон регистрации входного сигнала 6,.5 мс. map имеет два режима работы: автономный и на линии с ЭВМ. Для работы регистратора на линии с ЭВМ в автоматическом режиме была разработана специальная программная система, обладающая следующими возможностями:

- организация и использование пользовательских баз данных с возможностью хранения, обработки и визуализации данных любых видов (целых, действительных чисел, 'текстов и их сочетаний);

- простой человеко-машинный интерфейс, основанный на односимвольных командах, иерархическом срочном меню и шаблонах;

- вывод графических изображений и текстовой информации в отдельный файл на диске и принтер с Epson совместимой системой команд;

- оформление графических изображений перед их выводом;

. - нормировка, интерполяций, сглаживание и обработка по формулам (арифметические операции, функциональные преобразования и пр.) цифровых данных, поступающих от ОМА;

- экспорт и импорт данных;

- ручное редактирование поступающей информации.

Для выполнения некоторых задач настоящей работы был разработан автоматизированный снектроанализатор на основе оптического многоканального анализатора (ОМА). Анализатор можно использовать для вывода спектральной информации непосредственно со спектрографа, а также путем предварительной регистрации спектра на фотопленку или фотопластинку с последующим проецированием его в приемную камеру ОМА. Первый способ ввода информации более оперативен, а второй более универсален, так как позволяет обрабатывать спектры, полученные с различных спектральных приборов, в том числе таких, у которых более широкая область спектральной чувствительности или лучшее временное разрешение.

Автоматизированный спектроанализатор может работать как в автономном режиме, так и в режиме совместно с ЭВМ.

Возможности многоканального спектроанализатора и программное обеспечение позволяют оперативно выполнять любую стандартную процедуру обработки спектра, включая расшифровку, измерение интенсивностей и ширин спектральных линий, анализ контуров линий с учетом аппаратной функции прибора, построение характеристической кривой фотоматериала, вычисление температуры и концентрации заряженных частиц плазмы и т.д. Без спектральной приставки ОМА позволяет оперативно контролировать пространственное распределение световой энергии лазерного излучения по площади светового пучка.

Контроль параметров эрозионной плазмы осуществлялся с помощью известных спектроскопических методов, скоростных киносъемок, интерферомвтрических измерений.

Третья глава посвящена изучению взаимодействия излучения неодимового лазера в режиме свободной генерации с металлами. С этой целью были поставлены эксперименты с цинковой мишенью. На мишень, представляющую собой плоскую пластинку, помещенную в центре интегрирующей сферы, сфокусировано излучение неодимового лазера в режиме свободной генерации с общей энергией до 1,5 кДж и длительностью импульса 900 мкс. Фокусировка излучения неодимового лазера производилась таким образом, что фокус линзы располагался за мишенью, а на поверхности мишени освещалось пятно диаметром 7,5 мм.

Образующийся эрозионный факел зондировался излучением вспомогательного рубинового лазера, работающего в режиме излучения

регулярных пичков. Общая длительность генерации рубинового лазера составляла 1,5-10~3с, зондирование эрозионного факела производилось перпендикулярно оси факела на различных расстояниях от поверхности мишени. Для расстояния 1,5 мм были проведены исследования при различных энергиях плазмообразующего неодимового лазера: 1300 Дж, 900 Дж и 340 Дж. Одновременно с зондированием эрозионного факела'спектроскопическими методами контролировались параметры плазмы в зоне зондирования.

Ход кривых Крас(^) и Кдф^) в этих экспериментах показывает, что в течение первых 50 мкс рассеяние и поглощение увеличиваются (см.рис.1), достигая стационарного значения, и в течение последующих 400 мкс изменяются слабо. Через 400-500 мкс после начала плазмообразования коэффициенты резко изменяются, достигая экстремального значения к концу импульса излучения неодимового лазера (800-900 мкс). Такое резкое изменение коэффициентов можно объяснить появлением к концу импульса неодимового лазера большого количества жидких капель материала мишени, образующихся за счет гидродинамического механизма.

Однако поглощение и рассеяние эрозионным факелом зондирующего излучения происходит на протяжении всего времени воздействия излучения неодимового лазера, только в несколько меньшей степени, чем в конце импульса. В данной работе более подробно исследовалась начальная стадия (0-500 мкс) экранировки лазерного излучения продуктами разрушения материала мишени.

Используя величины параметров плазмы, определенные с временным и пространственным разрешением спектроскопическими методами, были оценены возможные потери излучения зондирующего лазера за счет известных механизмов поглощения в плазме. Такими механизмами являются фотоэлектрическое поглощение электронами в поле ионов и нейтральных атомов. Суммарный коэффициент поглощения плазмой эрозионного факела для эксперимента с энергией плазмообразующего неодимового лазера 340 Дж составляет менее 0,002, а для энергии 900 Дж - 0,03. Даже- при максимальных параметрах плазменного факела поглощений в плазме не превышает 0,09 и значительно меньше, чем это наблюдается в эксперименте. Как показал анализ спектров эрозионного факела, резонансное поглощение зондирующего излучения рубиноврго факела в плазме цинковой мишени отсутствует.

Релеевское и томпсоновское рассеяния также не могут объяснить ход кривой 1С (t), так как их сечения в данном экспериме-

«ЗА

нте оцениваются величинами соответственно 1,8-10 и 0,67-Ю"24 см2.

Роль турбулентностей плазмы как одного из источников рассеяния лазерного излучения определялась с помощью корреляционного анализа интерферограмм плазменного факела. Показано, что турбулентности исследуемой плазмы не могут внести существенный вклад в рассеяние зондирующего излучения.

Наиболее вероятным механизмом, объясняющим ход величин К^Ш, Крао(1;) и К^^СЮ, является поглощение и рассеяние излучения рубинового лазера на частицах жидкокапельной фазы материала мишени.

Убедительным подтверждением механизма потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния на частицах жидкокапельной фазы является эксперимент с самоподжигающимся импульсным оптическим разрядом. Такой разряд получается при фокусировке, лазерного излучения на мишень*, если фокус линзы расположен на 'расстоянии в несколько сантиметров от поверхности мишени. При этом плотность мощности лазерного излучения на мишени всегда меньше, чем при удалении от нее, увеличиваясь, 'она достигает максимального значения в области каустики линзы. Продукты разрушения мишени, двигаясь навстречу лазерному лучу, взаимодействуют с излучением возрастающей плотности мощности. При определенной плотности мощности, которая определяется материалом мишени, геометрией фокусировки и мощностью лазера, зажигается оптический разряд в продуктах эрозии материала мишени.

В экспериментах с цинковой и латунной мишенями спектроскопическими методами измерены температура плазмы Т и концентрация электронов По. Одновременно с этим производилось зондирование самоподжигающегося разряда излучением рубинового лазера, контролируя при этом коэффициент ослабления Косл.

Как показали эксперименты с цинковой мишенью, температура плазмы вблизи мишени незначительна и составляет 4500К, несколько мшзившись при удалении от поверхности мишени, в дальнейшем она остается постоянной. При подходе к фокусу линзы'температура плазмы резко увеличивается до 12 кК. Аналогичным образом ведет себя и По, увеличиваясь с 1016 см"3 вблизи мишени до

5-Ю17 см"3 в области фокуса линзы. Однако коэффициент ослабления зондирующего излучения максимален у поверхности мишени. При удалении от нее Косл резко уменьшается и в области фокуса линзы становится незначительным.

Аналогичная картина наблюдается и в случае медноцинкового сплава ЛС-59, отличаясь только количественными результатами.

Эксперименты с самоподжигающимся импульсным оптическим разрядом показали, что зона максимальных потерь лазерного излучения находится вблизи мишени, где максимальное количество жидко-капельной фазы, а не в зоне максимальных параметров плазмы (в области каустики фокусирующей линзы); инициирование разряда происходит за счет доиспаряющихся жидких капель; поведение потерь излучения рубинового и неодимового лазеров аналогичны. Это говорит о том, что единственным механизмом значительного ослабления лазерного излучения вблизи мишени может быть поглощение и рассеяние излучения частицами материала мишени в виде капель, которые могут образоваться с самого начала лазерного воздействия вследствие объемного парообразования, в отличие от .частиц, появляющихся в основном в конце лазерного импульса за счет гидродинамического механизма.

Для идеальных металлов, не содержащих примесей и дефектов структуры, объемное парообразование в тонком слое поглощения при плотностях мощности 106-107 Вт/см2 затруднено, однако в мишенях из реальных металлов оно может реализоваться. Этому могут способствовать различные факторы: пространственно-временные неоднородности воздействующего лазерного излучения-, газы, растворенные в металле, различные включения и дефекты кристаллической структуры.

Эксперименты с мишенями, полученными методом порошковой металлургии, полностью подтверждают механизм образования частиц в первоначальной стадии воздействия за счет объемного парообразования. В этих экспериментах облучались мишени из меди холодного проката и из меди, изготовленной'методом порошковой металлургии, как чистой, так и с,различным количеством добавки из молибдена .

Следует отметить, что в зависимости от размеров частиц материала мишени соотношение между поглощенной и рассеянной компонентами зондирующего излучения долшю меняться. Для ».¡алых ча-

частиц и в эрозионный факел поступают довольно крупные -жидкие капли, образующиеся за счет гидродинашческого механизма.

Для моме,кга времени t* = 300 мкс после начала лазерного воздействия были измерены натуральные показатели поглощения а' и рассеяния г' вдоль эрозионного лазерного факела цинковой мишени. При удалении.от поверхности мишени эти показатели уменьшаются, что можно объяснить доиспарением частиц, образовавшихся за счет объемного парообразования у поверхности мишени, при их движении навстречу лазерному излучению.

Таким образом, часть излучения лазера теряется в эрозионном факеле и не доходит до поверхности мишени. И хотя доля этого излучения в данном случае невелика, однако, доиспаряя частицы материала мишени, оно создает более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров; а это, в свою очередь, может существенным образом повлиять на всю плазмодинамику эрозионного факела.

Аналогичные эксперименты были сделаны и для других металлов при плотности мощности излучения неодимового лазера 10й Вт/см2. По результатам экспериментов исследуемые металлы условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы со сравнительно низкой температурой кипения (Сй, РЬ, Ъп, В1, ко второй - со средней температурой кипения (А1, Си, N1) и к третьей - металлы с высокой температурой кипения (Т1, Мо, W). Для металлов с низкой температурой плавления и ■ кипения характерно появление рассеяния уже с самого начала воздействия излучения неодимового лазера или с небольшой задержкой. Также как и у 2п у этой группы металлов в начале воздействия образуются мелкие частицы материала мишени за счет объемного парообразования, а к концу лазерного импульса происходит смена механизма образования частиц и в эрозионный факел поступают довольно крупные жидкие капли благодаря гидродинамическому механизму.

Для металлов с более высокой температурой плавления и испарения (А1, Си, N1) наблюдается задержка появления рассеянного сигнала. Для алюминия заметное рассеяние начинает сказываться «через 300 мкс после начала генерации неодимового лазера, для меди - 500 мкс, а для никеля - 600 мкс. У этих металлов то:ко первоначально за счет объемного парообразования фзрмиоуотся мелкодисперсная жидкокапельная фаза, а в конце лазерного кмпу-

льса в факел поступают более крупные частицы за счет гидродинамического механизма.

Для металлов о очень высокой температурой испарения (И., Мо, ДО) влияние крупных частиц на прохождение лазерного излучения незначительно. Заметное рассеяние на крупных частицах появляется или к концу импульса лазерного излучения, как это происходит на молибдене, или совсем не появляется, как это происходит на вольфраме. Поглощение лазерного излучения, которое в данном случае может определяться наличием большого количества мелких частиц, весьма Заметно уже с самого начала воздействия на мишень излучения неодимового лазера.

По соотношению (4) размеры частиц, образующихся за счет объемного парообразования, определяются как й. << X. Более детальные исследования размеров частиц свинцовой мишени проведены при-плотности мощности излучения неодимового лазера 2,3-106 Вт/сма. По измеренному экспериментально отношению коэффициента рассеяния и коэффициента поглощения зондирующего излучения, используя теоретически рассчитанную по теории Ми зависимость данного отношения от диаметра рассеивающих частиц, были определены диаметры' яидких капель свинца, образованных за счет механизма объемного парообразования в зависимости от времени лазерного воздействия, а также от высоты зондирования. Кроме того были измерены числовая N и объемная концентрация С* частиц. Результаты этих вкспериментов изображены на рис.2. Исследования показали, что для всех расстояний й от поверхности с увеличением времени воздействия лазерного излучения на мишень диаметры капель растут сначала медленно (100-400 мкс), а затем резко возрастают. Это объясняется переходом процесса объемного парообразования в гидродинамический. С ростом расстояния от поверхности мишени для одного и того же момента времени диаметр частиц падает. Это связано с процессом доиспарония частиц жидкокапельной фазы по мере их движения навстречу лазерному лучу, что подтверждается и измерениями N и Су.

Четвертая глава посвящена изучению процессов в эрозионных лазерных факелах в зависимости от плотности мощности воздействующего лазерного излучения.

Для проведения исследований при различных плотностях мощности использовалось излучение неодимового лазера в режима свобо-

я)

-2

с! ■ 1 О, ЫКМ

200 +00 ^ ыкс

б)

N Ю си"3

Ю"

Рис. 2 Зависимость от оремени диаметра жилких капель (а) и ичмрнрни'? влоль Факела числоеой N и объемной С^ концентрации частиц жидкой 4>а эы ('>) (1 - Ь='1.5 мм: 2 - Ь-3 мм: 3 - Ъ=6 мм I

- .'Л. -

—

дной генерации с энергией по 1,5 кДк за 0,9-10 с. Зондирование производилось на расстоянии 1,5 ш от поверхности мишени. Диаметр зондирующего луча составлял 1,5 мм, а плотность мощности не превышала 104 Вт/см2, чтобы не возмущать параметров зондируемой среды.

В качестве мишеней в настоящих экспериментах использовались пластины из легкоплавких металлов: свинца, кадмия, магния, висмута и цинка. Поперечное зондирование эрозионных факелов вышеуказанных металлов при различных энергиях плазмообразующего не-одимового лазера показало, что появление заметных потерь излучения зондирующего лазера носит пороговый характер. При этом уровень плотности мощности неодимового лазера, при котором это происходит, зависит от теплофизических свойств металла.

Для цинковой мишени при энергии в импульсе равной 320 Дж'на протяжении основного времени воздействия продукты разрушения прозрачны для зондирующего излучения, и только к концу импульса неодимового лазера появляются незначительные -потери зондирующего излучения. Эти потери определяются частицами жидкокапельной фазы, образующейся за счет гидродинамического механизма. При увеличении энергии неодимового лазера до 350 Дж обнаруживается рассеяние и поглощение зондирующего излучения уже с самого начала воздействия плазмообразующего лазера. Это связано с появлением частиц за счет объемного парообразования. При дальнейшем увеличении энергии неодимового лазера происходит увеличение потерь зондирующего излучения как за счет поглощения, так и за счет рассеяния. Во всех этих случаях коэффициенты рассеяния и поглощения изменяются во времени достаточно плавно. При энергиях неодимового лазера, превышающих 1000 Дж, на кривой потерь за счет поглощения начинают появляться резкие выбросы длительностью ^ 40 мкс, а кривая потерь за счет рассеяния по-прежнему остается достаточно плавной. С увеличением плотности мощности воздействующего лазера происходит увеличение числа выбросов на кривой Кпог,(1) при относительном увеличении потерь зондирующего излучения за счет'"поглощения, а ^) даже несколько снижается.

Для выяснения такого изменения К^^Ю был проведен дополнительный эксперимент, одновременно с зондированием эрозионного лазерного факела, образованного воздействием излучения нео- 22 -

димового лазера с энергией 1320 Дж на цинковую мишень, .производились спектроскопические измерения параметров плазмы факела в зоне зондирования. Результаты этого эксперимента представлены на рис.3 в виде кривых температуры, концентрации и показателя поглощения хпл плазменного факела, полученные спектроскопическими методами. Кроме того, приведен показатель поглощения эрозионного факела Хф, полученный методом зондирования.

Анализ кривых, представленных на рис.3, показывает, что в момент увеличения коэффициента поглощения в эрозионном факеле при поперечном зондировании происходит увеличение температуры и концентрации электронов; в это же время увеличивается и показатель поглощения хпд. Таким образом, можно сделать вывод, что в момент резких увеличений коэффициента поглощения происходит увеличение поглощательной способности плазмы ("вспышка поглощения" ).

Из сказанного можно себе представить следующую картину. При энергиях в импульсе неодимового лазера меньших 320 Дж продукты разрушения цинковой мишени поступают в эрозионный факел в виде прозрачных паров. С увеличением плотности мощности уже с самого начала воздействия появляются мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования и заметно поглощение и рассеяние зондирующего излучения рубинового лазера. С дальнейшим увеличением плотности мощности неодимового лазера число частиц материала мишени увеличивается, что приводит к увеличению поглощения и рассеяния на них. Жидкокапельные частицы, двигаясь в поле излучения неодимового лазера, поглощают его и, доиспаряясь, создают более плотную среду, что облегчает процесс "вспышки поглощения". Для цинковой мишени в условиях описываемых экспериментов "вспышки поглощения" происходят при достижении энергии 1050 Дж; при этом происходит резкое увеличение параметров (Т, По, хпл) плазмы. При этом доля рассеянного излучения зондирующего лазера уменьшается, что можно объяснить уменьшением размеров частиц и их концентрации. Аналогичные процессы происходят и в эрозионных факелах других исследуемых металлов (РЬ, Сй, Мё» В1, А1, ,N1), отличаясь только количественными результатами.

На примере никелевой мишени было экспериментально показано, что диаметры частиц уменьшаются при увеличении плотности мощности воздействующего на мишень лазерного излучения. Это объяоня-

¡20 .¿00 280 560 ¿«КС

Ркс.З. временная зависимость те.'/лературц (а), концентрации олектроноа (6), показателей поглощения 1и;аз;.;ы (ь) и орози-. онкого факела (г) да: цинковой мишени при энергии ллазг:.о-ооразукщего лазера 132С Да.

ется тем, что о увеличением плотности мощности в зоне облучения быстрее и в более тонком слое наступает перегрев расплавленного металла, и, .как следствие этого, за счет объемного парообразования в эрозионный факел поступают более мелкие частицы. С другой стороны, частицы, двигаясь навстречу лазерному излучению, интенсивное доиспаряются при больших плотностях мощности и могут иметь меньший размер, когда они попадут в зону зондирования (1г = 1,5 мм). Показано, что в момент "вспышки поглощения" частицы, доиспаряясь, уменьшаются в диаметре.

Несколько иначе происходит разрушение тугоплавких металлов (V/, Мо, Т1). Первоначально эрозионный факел состоит из слабосветящихся, но сильнопоглощающих продуктов, затем происходит оптический пробой в продуктах эрозии и наблюдается резкое возрастание параметров плазмы; затем в факел поступают мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования, которые охлаждают факел.

Детальные спектроскопические исследования эрозионного факела медной мишени позволили определить пространственно-временное распределение вдоль факела плотности плазмы. Ход кривой плотности вдоль факела говорит о том, что давление при удалении от поверхности мишени растет не только за счет увеличения температуры, но и за счет поступления в эрозионный факел дополнительных паров. Этот эксперимент является еще одним подтверждением доиспарения жидкокапельных частиц материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу. Это подтверждение получено принципиально другим способом - спектроскопическим. Одновременно с этим показано, что, доиспаряясь, частицы материала мишени создают более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.

На основе проведенных исследований можно предположить следующую картину развития эрозионных факелов при воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности на металлы. С увеличением интенсивности воздействующего излучения в эрозионный факел, состоящий вначале из прозрачных паров, за счет объемного .порообразования начинают поступать частицы мелкодисперсной жид-кокапельной фазы материала мишени, которые рассеивают и поглощают лазерное излучение. Двигаясь навстречу лазерному л; чу и доиспаряясь, они создают вокруг себя более плотную среду, м

при адиабатическом разлете прозрачных паров, и при достижении определенной плотности мощности, характерной для каждого металла, некоторые частицы инициируют вокруг себя плазменную вспышку ("вспышку поглощения"); затем число таких вспышек увеличивается и частицы почти полностью испаряются.

Исключение составляют тугоплавкие металлы, у которых вначале у поверхности мишени образуется слабосветящийся слой, потом при достаточно больших энергиях неодимового лазера образуется сильнопоглощающий плазменный слой, затем в факел начинают поступать мелкие жидкие капли, которые, доиспаряясь, понижают параметры плазмы.

Для каждого исследованного металла был определен диапазон изменения плотности мощности неодимового лазера, излучающего в режиме свободной генерации, в котором частицы материала мишеНи, образующиеся за счет объемного парообразования, существенным образом влияют на оптические и теплофизические характеристики эрозионного лазерного факела. При плотности мощности излучения ниже этого диапазона образующиеся продукты разрушения прозрачны для излучения. При превышении диапазона потери излучения в основном определяются поглощением в плазме. Эти диапазоны оказались следующими: цинк - 0,9 - 2,65 МВт/см2; свинец - 0,3 -0,9 МВт/см2; кадмий - 0,7 - 1,9 МВт/см2; магний - 0,7 -2,2 МВт/см2; висмут - 0,25 - 2,15 МВт/см2; алюминий - 1,3 -3.0 МВт/см2; никель - 1,6-3.3 МВт/см2; медь - 4-12 МВт/см2; титан - 0,7-1,1 МВт/см2; вольфрам - 2,6-4,2 МВт/см2; цирконий -2,6-5.6 МВт/см2; молибден - 1,7-4,8 МВт/см2. В этих диапазонах плотности мощности воздействующего лазерного излучения, по существу, необходимо эрозионный факел рассматривать как двухфазный поток.

Пятая глава посвящена исследованию влияния пространственно-временной формы воздействующего лазерного излучения на образование жидкокапельной фазы материала мишени. Режим свободной генерации неодимового лазера характерен тем, что плотность мощности хаотически меняется по сечению пучка в течете всего времени генерации, что может существенно облегчить процесс объемного парообразования. Представлял интерес исследовать взаимодействие с металлами гладкого импульса излучения неодимового лазера по форме близкого к прямоугольной. Такая фор' - 25 -

ыо импульса получалась вырезанием механическим затвором импульса длительностью 400-500 мке из квазистационарного импульса, полученного помощью конфокального резонатора. Пространствен-но-времешшо отклонения интенсивности лазерного излучения от среднего значения в этих экспериментах не превышали 5%. Излуче-шю фокусировалось на поверхность мишени в пятно диаметром 7мм, а глубина лунки после воздействия не превышала 0,3 мм, таким образом, истечение продуктов эрозии из лунки можно считать одномерным (по крайней мере на расстоянии калибра). В качестве мишеней использовались пластины из цинка, олова, кадмия и свинца. Для исследования взаимодействия лазерного излучения в режиме генерации гладкого прямоугольного импульса с продуктами эрозии мишени использовался метод поперечного зондирования эрози-ошгого факела излучением вспомогательного рубинового лазера на различных расстояниях от мишени. Параметры плазмы эрозионного факела контролировались спектроскопическими методами.

В этом случае, как и при воздействии излучения неодимового лазера в режиме свободной генерации на различные металлы поведение коэффициентов поглощения и рассеяния объясняется наличием в лазерном факеле жидкокапельной фазы материала мишени. Причем по соотношению доли рассеянной и поглощенной компонент зондирующего излучения также можно сделать вывод, что сначала в эрозионный факел поступает мелкодисперсная жидкокапельная фаза, у которой диаметр частиц значительно меньше длины волны зондирующего излучения (Х=0,69 мкм). Эти частицы образуются за счет объемного парообразования. В процессе воздействия в зоне облучения образуется жидкая ванна и за счет гидродинамического механизма в эрозионный факел к концу воздействия поступает значительное число довольно крупных капель размером до нескольких десятых долей миллиметра.

Зондирование эрозионного факела на различном расстоянии от поверхности мишени количественно показывает, что частицы жидко-капельной фазы материала мишени в процессе движения доиспаряют-ся, уменьшая свои размеры и концентрацию.

, Сравнение результатов воздействия импульса неодимового лазера в режиме свободной генерации на свинцовую мишень с воздействием импульса прямоугольной формы при одинаковой плотности мощности 2,3 МВт/см2 показывает, что диаметры частиц в обоих

случаях достаточно близки. Это связано с теплофизическими свойствами материала мишени.

Однако концентрация частиц в случае воздействия лазерным импульсом свободной генерации значительно выше, чем при воздействии гладкого импульса прямоугольной формы.

Эксперименты при различной плотности мощности излучения воздействующего импульса прямоугольной формы позволили определить пороги начала появления в эрозионном факеле мелкодисперсной кидкокапельной фазы за счет объемного парообразования. Для различных металлов они оказались следующими: цинк - 2 МВт/см2; кадмий - 1 МВт/см2; свинец - 0,9 МВт/см2; олово - 0,7 МВт/см2.

Качественная картина образования "вспышек поглощения", инициируемых частицами материала мишени, при воздействии гладкого импульса прямоугольной формы, похожа на картину при воздействии импульса свободной генерации. Порога образования "вспышек поглощения" для исследуемых металлов оказались следующими: цинк -5,4 МВт/см2; кадмий - 3,5 МВт/см2; свинец - 3,2 МВт/см2; олово - 3 МВт/см2.

Для более детального исследования влияния пульсаций неодимового лазера на характеристики эрозионного факела проведены эксперименты по воздействию на металлические мишени излучения неодимового лазера в виде импульса по форме близкого к прямоугольной и в виде такого же импульса, но с ЗОЙ и 100% модуляцией "пичками". Длительность отдельного пичка состгвляла 1-3 мкс, промежуток мевдуними 1-6 мкс.

Эксперименты показали, что размеры частиц, образующихся за счет объемного парообразования, близки при различных режимах облучения. Все эксперименты проводились при средней плотности мощности 2,2 МВт/см2. Тот факт, что диаметры частиц слабо зависят от режима воздействия лазерного излучения, говорит о том, что образование частиц связано только -с гидродинамическими процессами, определяемыми теплофизическими характеристиками металла.

В противоположность размерам частиц их концентрация в сильной степени зависит от режима генерации неодимового лазера. Концентрация частиц уменьшается с уменьшением пульсаций воздействующего излучения. Такое поведение концентрации частиц можно объяснить тем, что при увеличении модуляции лазерного излу-

чепия происходит локальный перегрев мишени, формирование м ьзь-имодойствие волн в расплаве и, как следствие, образование большего количества жидких капель.

При воздействии излучения в Биде двойного импульса, состоящего из короткого 50 мке) первого и более длительного (^400 мне) второго к вромонним промежуткам между ними 0-50 мке динамика орозиошюго факела существенно отличается от воздействия одиночного импульса. В результате такого комбинированного воздействия из-за доиспарения частиц материала мишени, созданных "предимпульсом", в начале основного импульса Образуется более плотная среда по сравнению с воздействием отдельного импульса и уже с самого начала основного импульса появляется дополнительное поглощение излучения.

При воздействии серии прямоугольных импульсов происходит подготовка среды каждым предыдущим импульсом для каждого последующего, и срабатывает "накопительный" механизм.

Эксперименты с пористыми металлическими мишенями, полученными прессованием порошков из алюминия и вольфрама, позволили, о одной стороны, проверить точность измерения размеров частиц с помощью лазерного зондирования, с другой стороны, получить управляемые двухфазные потоки, состоящие из плазмы и твердых или жидких металлических частиц контролируемого состава. В этих экспериментах использовался импульс излучения по форме близкий к прямоугольному длительностью 400-500 мке с энергией до 400 Дж. В качестве мишеней использовались таблетки из алюминиевого порошка, вольфрамового и их смеси 30% W и 70& А1 по весу. Получены модельные потоки алюминиевой плазмы с контролируемым составом вольфрамовых частиц. Размеры частиц вольфрамового порошка предварительно измерялись с помощью электронного микроскопа о целью получения распределения частиц по размерам. После этого, используя соотношения:

Imax Xmax

г = J" f(r)rdp/ f r(r)dr (6)

У Irai n Im I л

°vlo= sma*î(r)Q (r)nr2dr/ j"1**?(r)dr (7)

Im1n Im i n

^ Imax Imdx

= S rtrjQ^íiOHr-clr/ S f(r)dr (0)

Imln Imln

были найдены: средний радиус частиц гср, эффективный размер по рассеянию и по поглощению Они оказались следующими:

гср= 0,038 мкм; = 0,044; = 0,046 мкм.

Эффективный размер частиц, измеренный с помощью зондирования лазерного эрозионного потока, составил г0ф= 0,041 мкм. Результаты измерений по квум методикам достаточно близки, что говорит о надежности измерений. Хотя измерения с помощью электронного микроскопа более детальны, но очень трудоемки и не позволяют контролировать размеры частиц в динамике. Исследования показали, что методика контроля размеров частиц в потоках с помощью лазерного зондирования достаточно надежна и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.

Как уже было сказано, объемному парообразованию в металлах при воздействии на них лазерного излучения могут способствовать различные факторы: пространственно-временная неоднородность лазерного излучения, растворенные в металле газы, различные примеси и структурные неоднородности. Были поставлены эксперименты по выявлению приоритетности этих факторов. Производилось воздействие прямоугольного импульса излучения неодимового лазера со 100$ модуляцией по амплитуде пичками микросенундной длительности, имеющими достаточно случайное пространственно-временное распределение, и импульсом, имеющем пространственно-временную неоднородность излучения не хуже 3%. В качестве мишеней использовались свинцовые пластины, полученные путем переплавки в атмосфере воздуха и в вакууме, мишени, полученные методом порошковой металлурпш из медного и молибденового порошков, и пластины из моно- и поликремния.

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, раство-решшх в металле, и пространственно-временной неоднородности лазерного излучения. Действие этих двух факторов соизмеримо.

- 3Ü -

Следующим фактором яеляэтся 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 можот быть как из-за неустойчивости фронта испарения, так и за счет взрыва метастабильнсй жидкости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для каждого металла существует диапазон плотности мощности воздействующего излучения, в котором уже с самого начала образования эрозионного факела в него поступает мелкодисперсная жидкокапельная фаза материала мишени за счет объемного парообразования. Обнаружена смена механизма образования частиц и в конце лазерного импульса в эрозионный факел. поступают • крупные жидкие капли за счет гидродинамического механизма. -

2. Частицы жидкокапельной фазы, двигаясь навстречу лазерному лучу, доиспаряются, образуя вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров; при достижении определенной плотности мощности, характерной для каждого метал-. ла, в эрозионном лазерном факеле происходит низкопороговая плазменная вспышка, инициируемая частицами жидкокапельной фазы.

3. Формирование мелкодисперсной жидкокапельной фазы материала мишени происходит при различной пространственно-временной, структуре лазерного импульса. При этом размеры чдстиц слабо зависят от модуляции лазерного импульса, ' а концентрация частиц тем больше, чем больше модуляция воздействующего излучения.

4. Экспериментально определена приоритетность факторов, способствующих объемному парообразованию в лазерных мишенях; 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. Следующий фактор - наличие в металле различных включений и искусственных центров. При отсутствии этих трех факторов про-

цесеу объемного парообразорония способствуют структурные неоднородности. И, наконец, при отсутствии всех этих факторов образование жидкокапельной фазы реализуется за счет взрыва метаста-билыюй жидкости или из-за неустойчивости фронта испарения.

5. Воздействием лазерного излучения на пористые металлические мишени получены управляемые двухфазные потоки, исследования которых позволили рекомендовать материал для сильнопроводящих, но слаборазрушаклцихся лазерных разрядников.

6. Комплексные исследования с помощью разработанной методики по лазерному зондированию и стандартных скоростных, интерфе-рометрических, спектроскопических методов с применением разработанной системы автоматизированного сбора, хранения и обработки информации в оптико-физическом эксперименте позволили экспериментально обосновать более адекватную модель разрушения Металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающую в продуктах эрозии мелкодисперсную жидкокапель-ную фазу материала мишени и найти пределы ее -применимости.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гончаров В.К., Карабань В.И., Колесник A.B., Ложкин В.А. О роли частиц материала мишени в динамике самоподжигающегося импульсного оптического разряда// Квантовая электроника. 1984. Т.11, N4. С.784-789.

2. Гончаров В.К., Карабань В.И., Колесник A.B. Смена механизмов образования частиц жидкокапельной фазы при воздействии излучения импульсного лазера на металлы// Материалы VI Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом/ Паланга. 1984. С.335-336.

3. Гончаров.В.К., Карабань В.И., Колесник A.B. Изменение во времени оптических характеристик лазерного эрозионного факела// Квантовая электроника. 1985. Т.12, N4. С.762-766.

4. Гончаров В'ГК., Карабань В.И., Колесник A.B. Исследование пространственно-временных оптических характеристик эрозионных плазменных факелов// ЖПС. 1985. Т.43, N3. С.389-395.

5. Гончаров В.К., Кваченок В.Г., Колесник A.B., Колесников В.Н., Концевой В.Л., Ревинский В.В., Тсвмасян С.К., Чернявский

A.Ф. Оптический многоканальный анализатор для исследования двумерных распределений интенсивностей// Препринт ФИЛИ СССР. М. 19Q6. N12. 25 о.

6. Баринов В.II., Бык А.П., Гончаров В.К., Захожий В.В., Ка-рабапь В.И., Кваченок В.Г., Колесников В.Н., Ревинский В.В., Чернявский А.Ф. Автоматизированный комплекс для изучения вре-мешшх процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения умеренней интенсивности с веществом// Препринт ФИАН СССР. М. 1986. N38. 26 с.

7. Гончаров В.К., Карабань В.И. Изменение показателей поглощения и рассеяния вдоль лазерного эрозионного факела// ЖПС. 1986. Т.45, N1. С.22-25.

8. Гончаров В.К., Карабань В.И., Остромецкий В.А. Экранировка лазерного излучения продуктами разрушения различных металлов// Квантовая электроника. 1986. Т.13, N6. С.1235-1240.

9. Бык А.П., Гончаров В.К., Захожий В.В., Кваченок В.Г., Ревинский В.В., Старовойтов А.М., Чернявский А.Ф. Многоканальный автоматизированный регистратор для исследований по лазерному зондированию// ПТЭ. 1987. N3. 0.244,

10. Бык А.П., Гончаров В.К., Захожий В.В., Карабань В.И., Колесник A.B., Ревинский В.В., Чернявский А.Ф. Роль частиц материала мишени в динамике плазмообразования// Квантовая электроника. 1988. Т.15, N12. С.2552-2559.

11. Гончаров В.К., Карабань В.И., Колесник A.B., Радюк И.М. Пространственно-временное распределение жидких капель в эрозионном факеле при воздействии лазерного излучения на свинцовую мишень// Квантовая электроника. 1988. Т.15, N12. 0.2575-2577.

12. Бык А.П., Гончаров В.К.. Карабань В.И., Колесник A.B., Концевой В.Л., Чернявский А.Ф. Взаимодействие излучения неоди-мового лазера с тугоплавкими металлами// ЖПС. 1989. Т.50, N4. С.571-575.

13. Бык А.П., Гончаров В.К., Карабань В.И., Чернявский А.Ф. Динамика плазмообразования при различных плотностях мощности лазерного излучения, воздействующего на металлические мишени// Квантовая электроника. 1989. Т.16, N5. С.1042-1046.

14. Гончаров В.К., Карабань_В.И., Колесник A.B., Ревинский

B.В., Товмасян С.К., Чернявский А.Ф. Исследование лазерных -эрозионных факелов с помощью оптического многоканального спектро-

— oö —

анализатора// ЖПС. 1989. Т 51, N1. 0.16-22.

15. Гончаров В.К., Карабань В.И., Концевой В JI., Стасюлевич Т.В. Взаимодействие прямоугольного импульса излучения неодимо-вого лазера с металлами// Квантовая электроника. 1991. Т.18, N7. С.872-876.

16. Гончаров В.К., Карабань В.И., Концевой В.Л., Стасюлевич Т.В. Воздействие на металлические мишени импульса неодимового лазера в различных режимах генерации// Известия АН СССР, серия физическая. *1991. Т.55, N6. С.1168-1172.

17. Гончаров В.К., Карабань В.И., Концевой В.Л. Влияние временной структуры лазерного импульса на динамику эрозионного факела// Квантовая электроника. 1991. Т.18, N10. С.1231-1233.

18. Гончаров В.К. Роль частиц материала мишени в динамике лазерного эрозионного факела// ИФ5К. 1992. Т.62, N5. С.665-684.

19. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В. Роль различных факторор, способствующих.объемному парообразованию в металлических лазерных мишенях// Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии": Тез.докл. - Гродно, 1993. С.267-269.

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