Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нелинейные колебания, индуцированные лазерным 14 излучением в ванне расплава и методы их анализа. Обзор литературы
Введение 14
1.1. Теоретическая модель формирования многовихревого течения в ванне расплава 16
1.2 Экспериментальное обнаружение многовихревого движения 19
1.3. Возникновение стохастических автоколебаний в гидродинамическом эксперименте 24
1.4. Анализ свойств стохастических автоколебаний методами нелинейной динамики 28
1.4.1. Качественные признаки хаотического поведения динамической системы 28
1.4.2. Количественные признаки хаотического поведения динамической системы. Показатель Ляпунова 29
Выводы по первой главе 32
Глава 2. Пространственные характеристики оптических изображений области лазерного воздействия в режиме выплеска расплава.
Диагностика в реальном масштабе времени при помощи лазерного монитора. Обработка оптических изображений 34
Введение 34
2.1. Теоретическая модель 36
2.2. Описание экспериментальной установки 40
2.3. Экспериментальные результаты. Обработка оптических изображений области лазерного воздействия 43
2.4. Спектр пространственных частот турбулентного течения в момент выплеска расплава 45
2.5. Количественные характеристики турбулентного течения в момент выплеска расплава 48
2.6. Формирование волн на поверхности расплава при кристаллизации 52
Выводы по второй главе 54
Глава 3. Временные характеристики установившегося гидродинамического движения расплава поверхности металла при лазерном импульсно-периодическом воздействии 55
Введение 55
3.1. Теоретическая модель 55
3.2. Методика измерения 60
3.3. Экспериментальные результаты 61
3.4. Статистические свойства временных зависимостей яркости отраженного излучения 62
3.5. Динамические и информационные свойства временных зависимостей яркости отраженного излучения 66
Выводы по третьей главе 75
Глава 4. Исследование временной эволюции рельефа поверхности графита, подвергающейся воздействию лазерного воздействия 76
Введение 76
4.1. Результаты исследования эволюции поверхности графита с помощью лазерного монитора 77
4.2. Метод восстановление профиля поверхности графита, эволюционирующей под действием лазерного излучения
4.3. Результаты восстановление профиля поверхности графита, эволюционирующей под действием лазерного излучения
Выводы по четвертой главе 98
Заключение 100
Литература 102
Приложение №1 113
Приложение №2 123
- Теоретическая модель формирования многовихревого течения в ванне расплава
- Диагностика в реальном масштабе времени при помощи лазерного монитора. Обработка оптических изображений
- Теоретическая модель
- Результаты исследования эволюции поверхности графита с помощью лазерного монитора
Введение к работе
Актуальность темы. Лазерный проекционный микроскоп реализован на практике в 1973 г., в качестве усилителя яркости изображения использовался импульсно-периодический лазер на парах меди. В начале 1990-х годов основные исследования лазерных проекционных микроскопов с различными лазерами на парах металлов были завершены. Ожидалось, что лазерные проекционные микроскопы найдут широкое применение в микроэлектронике, лазерных технологиях, медицине и т.д.
Однако, по-видимому, единственным применением лазерных проекционных микроскопов, успешно развивающимся в настоящее время, является их применение для наблюдения в реальном времени зон взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно во время взаимодействия. Основной фактор, затрудняющий наблюдение этих зон обычными методами заключается в образовании над ними ярко светящейся плазмы.
Поскольку в подобных наблюдениях основным фактором является возможность наблюдения поверхностей, экранированных от наблюдателя интенсивно светящимися слоями плазмы, а не возможность сильного увеличения изображения наблюдаемой поверхности, был введен термин «лазерный монитор», подчеркивающий ту отличительную способность лазерных проекционных микроскопов, которая позволяет их использовать в рассматриваемом случае.
Интересные и важные научные результаты получены при исследовании плавления сфокусированным лазерным излучением некоторых металлов. Так, например, процесс плавления титана сопровождается образованием перед перемещающейся границей расплава окисной пленки, а на поверхности расплава свинца и титана во время воздействия на них лазерного излучения образуются капиллярные волны. Отмечены особенности эволюции поверхности алюминиевой мишени в результате переноса энергии из плазмы, определены условия замыкания тока на катодах вакуумной дуги и многое другое. И хотя эти наблюдения нуждаются в дальнейшем продолжении, перспективность и актуальность их проведения не вызывает сомнений.
Целью работы является диагностика лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества с помощью лазерного монитора и
анализ пространственно-временных характеристик на основе обработки оптических изображений.
Методы исследования. В работе использовались современные методы динамической лазерной микроскопии, обработки оптических изображений, методы нелинейной динамики и математические методы фрактальной геометрии.
Научная новизна работы заключается в том, что в результате проведенных исследований получены новые экспериментальные результаты:
Получены при помощи лазерного усилителя яркости в реальном времени и классифицированы динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество при различных режимах процессов протекающих на поверхности под действием лазерного излучения (ламинарное течение, турбулентное течение, сублимация поверхности).
Для оптических изображений области лазерного воздействия в режиме выплеска расплава получен спектр пространственных частот, имеющий линейный участок, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности излучения. Проведен сравнительный анализ спектров.
На основе методов фрактальной геометрии и теории информации рассчитаны характерные параметры, определяющие степень хаотизации оптических изображений области лазерного воздействия. Показана зависимость параметров от плотности мощности падающего излучения и состояния поверхности.
Обнаружен хаотический характер низкочастотных гидродинамических колебаний индуцированных лазерным излучением. Показано, что в спектре мощности наблюдается субгармонический каскад удвоения периода колебаний.
Восстановленные фазовые портреты имеют качественные и количественные характеристики, подтверждающие сценарий хаотизации гидродинамических частот через разрушение двумерного тора, показана зависимость характерных параметров фазовых портретов от плотности мощности лазерного излучения.
Предложен и реализован метод восстановления вероятного вида трехмерных рельефов поверхности образца на основе его двумерного изображения. С использованием методов статистики Херста рассчитаны коэффициенты корреляции восстановленных рельефов.
Практическая ценность работы:
1. Лазерная диагностическая система позволяет проводить наблюдение
области взаимодействия лазерного излучения с веществом в реальном времени
в пространственных и временных масштабах, характерных для
технологических процессов, что дает возможность их детального исследования.
2. Предложенные методы обработки оптических изображений
поверхности позволяют разделять режимы состояния поверхности расплава, что
делает возможным управление в реальном времени различными лазерными
технологическими процессами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. При взаимодействии лазерного излучения с плотностью мощности
с 9 7 9
10jBt/cm-10'Bt/cmz с металлами (сталь, титан, свинец и др.) в ванне расплава наблюдается турбулентное течение. Спектр пространственных частот, рассчитанный по изображениям гидродинамического течения, индуцированного лазерным излучением на поверхности вещества имеет линейный участок, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности излучения. В качестве количественных характеристик, определяющих степень хаотизации поверхности в области лазерного воздействия, могут быть использованы фрактальные и информационные размерности соответствующих оптических изображений.
При установившемся режиме воздействия лазерного излучения с плотностью мощности порядка 10 Вт/см с расплавами металлов, Фурье-спектр низкочастотных гидродинамических колебаний, возбуждаемых в каверне имеет хаотическую природу. Определен сценарий хаотизации гидродинамических колебаний через субгармонический каскад удвоения периода. Качественные и количественные характеристики фазовых портретов подтверждают развитие в ванне расплава маломерного хаоса.
Для процессов взаимодействия лазерного излучения с графитовыми образцами при температуре не превышающей 4000К и давлении близком к атмосферному, наряду с твердофазным разрушением поверхности, зафиксировано плавление. Для определение свойств поверхности в процессе воздействия разработана оригинальная методика восстановления трехмерного рельефа поверхности по двумерным оптическим изображениям полученным при помощи лазерного монитора.
Апробация работы Основные результаты работы опубликованы в научных журналах «Известия РАН. Серия физическая», «Доклады академии наук», «Laser Physics», докладывались на Международной конференции LANE'2001 (Эрланген, Германия, 2001), VII Междунар.конф. «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения»
(Владимир-Суздаль, Россия, 2001), II Российско-французском лазерном симпозиуме «Современные направления в лазерной физике: спектроскопия, квантовые эффекты и атомная оптика, оптические изображения и информация», (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), Международной конференции LAT-2002 (Москва, Россия, 2002), Международной конференции ILLA-2003 (Смолян, Болгария, 2003), Международной конференции Laser Optics-03 (Санкт - Петербург, Россия, 2003), First Russian-French Laser Physics Workshop for Young Scientists (Санкт - Петербург , Россия, 2004), International symposium Modern Problems of Laser Physics'04 (Новосибирск, Россия, 2004), Международной конференции LAT-2005 (Санкт - Петербург, Россия, 2005). По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 9 статьи и 11 тезисы докладов.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 статей и 11 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Теоретическая модель формирования многовихревого течения в ванне расплава
Так как измерение размеров ванны расплава непосредственно во время эксперимента крайне затруднено, то в [24] образцы подвергались быстрой заморозке и последующему для металлографического анализа шлифов. На рис. 1.1 показан шлиф образца нержавеющей стали марки SS304 толщиной 4 мм после облучения лазерным импульсом длительностью 4 с и мощностью 6 кВт. Здесь же точками показана граница раздела фаз, полученная в расчетах при данных параметрах излучения
Сравнение экспериментальной формы ванны расплава (выделено светлым тоном) с расчетной (точки) для обрата из нержавеющей стали 88304 толщиной 4 мм при воздействии импульса лазерного излучения длительностью 4 с и мощностью 6 кВт. [24]
Расчетные и экспериментальные зависимости диаметра ванны расплава от длительности импульса излучения приведены на рис. 1.2. В обоих случаях видно хорошее совпадение результатов, что говорит об адекватности численной модели реальным физическим процессам.
Диагностика в реальном масштабе времени при помощи лазерного монитора. Обработка оптических изображений
Динамика поверхности расплава в области лазерного воздействия представляет значительный интерес в фундаментальных и прикладных физических исследованиях. С одной стороны на ее основе разрабатываются различные модели развития гидродинамических неустойчивостей и энерго-массообмена при взаимодействии лазерного излучения с веществом. С другой стороны она лежит в основе новых лазерных технологий, во многом определяя их эффективность и качество.
Практически сразу после проведения экспериментов по лазерной резке, сварке металлов и в других лазерных технологических процессах было обнаружено, что на обрабатываемой поверхности остаются застывшие регулярные волновые структуры, пространственный период которых составляет порядка 0,01-0.1 мм [38,39]. Естественно предположить, что эти волновые структуры образуются при кристаллизации поверхности расплава по которой распространяются волны, возбуждаемые при лазерном воздействии. Такие волны в жидкости известны как капиллярные и изучены достаточно подробно, условия их генерации, распространения и основные характеристики приведены в классических трудах по гидродинамике. Однако количество экспериментальных работ, в которых были предприняты попытки наблюдения в реальном времени волн возникающих под действием лазерного излучения на поверхности жидкого металла сравнительно невелико. Основными причинами, затрудняющими исследования такого рода, являются: малый масштаб области воздействия и высокая температура внутри нее, а главное наличие яркого экранирующего плазменно-эрозионного факела над изучаемой зоной, который усложняет ее визуальный контроль.
Теоретическая модель
Установившийся режим импульсно-периодического лазерного воздействия на расплав металла возможен при достаточно малой скважности импульсов и сравнительно невысокой мощности излучения [41]. В этом случае формируется ванна расплава с геометрией и характеристиками течения близкими к соответствующим величинам для непрерывного лазерного воздействия. В нашем эксперименте скважность равнялась 0=4/1=2+3. При средней мощности лазерного излучения р=20Вт-Н)0 Вт установившийся режим реализовывался через время тусг.=4 2 мс- после начала воздействия. При этом размеры и геометрия расплава практически оставалась постоянными в процессе дальнейшего лазерного воздействия. Такой режим подбирался экспериментально.
Результаты исследования эволюции поверхности графита с помощью лазерного монитора
Анализ наблюдаемой динамики области лазерного воздействия показывает, что нагрев поверхности графита сопровождается ее деформацией, в результате которой формируется четко выраженное светлое кольцо с поперечным размером около 0,01 мм, расширяющееся с некоторой скоростью по поверхности образца. Образование и перемещение светлых колец, подобных изображенному на рис. 4.1 происходит наиболее ярко в диапазоне мощностей лазерного излучения Р от 40 до 60 Вт. Увеличение Р в указанном диапазоне приводит к росту скорости перемещения кольца примерно от 1 до 10 см/с.
До мощностей около 52 Вт первоначальное перемещение светлого кольца заканчивалось прекращением перемещения и стабилизацией на поверхности графита. Стабилизированное светлое кольцо можно было наблюдать в обычный оптический микроскоп. Данный режим (рис. 4.2) характеризуется появлением на дне каверны единичных бликов (указаны стрелками), напоминающих блики на поверхности ванны расплава, образующейся на поверхности металлических образцов, нагреваемых сконцентрированным лазерным излучением (см., например [9-11]). Подобные блики могут быть следствием гидродинамических возмущений поверхности жидкого углерода, скапливающегося на дне каверны.
Похожие диссертации на Диагностика в реальном масштабе времени лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества с помощью лазерного монитора и обработка динамических оптических изображений возникающих пространственно-временных неустойчивостей
