Введение к работе
Актуальность темы. Физика импульсного лазерного воздействия на конденсированные, среды (металлы, керамики, полупроводники) находится в настоящее время в стадии интенсивного развития. Активно ведущиеся в этой области фундаментальные исследования во многом стимулируются потребностями лазерных технологий, в которых для высокой воспроизводимости отработанных режимов необходима надежная диагностика процессов. Важнейшим направлением исследований является изучение фазовых превращений первого рода - плавления и кристаллизации, испарения и конденсации. Расширение применения лазерных импульсов пико- и фемтосекуядного диапазона длительностей стимулирует работы по изучению взаимодействия лазерного излучения с веществом в условиях сильной неравновесности.
Эффективным методом исследования процессов в зоне лазерного воздействия является сптоакустическая диагностика, которая в простейшем случае сводится к регистрации временной развертки импульса давления (оптоакустического сигнала). Образование сигнала происходит под действием целого ряда механизмов генерации - термооптического, фазовых превращений, электронного, оптического пробоя. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, оптоакустическая диагностика является весьма точным и чувствительным инструментом, качественно и количественно отображающим динамику протекающих процессов. В ряде физических ситуаций акустические методы позволяют получать информацию о процессах в конденсированных средах, недоступную для других способов измерения (зондирование электронным или лазерным лучом, оптические методы, пирометрия).
Основная сложность метода оптоакустической диагностики связана с расшифровкой и анализом получаемых сигналов давления, образующихся под действием сразу нескольких сложным образом взаимодействующих механизмов генерации. Успешное проведение исследование в этой ситуации возможно при сочетании натурных экспериментов и математического моделирования, позволяющего селективно исследовать механизмы генерации.
Цель работы. Основной целью диссертации является исследование с помощью математического моделирования различных механизмов генерации оптоакустических сигналов при лазерном воздействии на конденсированные среды, а также исследование процессов плавления и кристаллиза-
цип в сильнопоглощающих средах и неравновесного нагрева и плавления полупроводников.
Научная новизна. В данной работе впервые проведены подробные исследования оптоакустических сигналов при плавлении и кристаллизации металлов, рассмотрены особенности электронного механизма генерации при неравновесном нагреве и фазовых превращениях в полупроводниках. Для исследования полупроводников была построена сложная математическая модель неравновесного нагрева, учитывающая двухступенчатое поглощение энергии лазерного излучения и ее перенос возбужденными носителями. В диссертации построены и апробированы эффективные алгоритмы решения совмещенного гидродинамического варианта задачи Стефана для случаев равновесного (металлы) и неравновесного (полупроводники) взаимодействия лазерного излучения с конденсированной средой. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в оптоакустических исследованиях взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами.
Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались на Международном конгрессе по лазерной обработке материалов ICALEO-94 (США, Флорида, 1994), на научном семинаре профессора Леванова Е.И. Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в трех работах, указанных в конце автореферата. Структура И объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 110 наименований. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунков.
