Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ данных исследований обусловлена практической потребностью в прошозяроваиии влияния аэрозольных иелипейно-оптических эффектов на знергеі*г*іесіШс хзракт^йст»«3г лазерных систем, предназначенных для передачи энергии через атмосферу. Поскольку Натурные исследования в данном случае чрезвычайно дороги, а теоретические решения такого типа задач сложны, необходимы модельные эксперименты при контролируемых условиях. Построегоше на основе результатов таких лабораторных исследований модели процессов взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем н с их использованием -модели распространения излучения в замутненной аэрозолем атмосфере, можно применить к реальной атмосфере, на различных трассах, в условиях разнообразной оптической погоды.
Использование полученных зависимостей измеряемых в эксперименте величин от характеристик облучаемой* среды и параметров лазерного излучения, возбуждающего в среде нелинейные эффекты, представляет интерес с точки зрения создания на их основе новых методов диагностики характеристик среды и лазерных пучков.
Кроме того, самостоятельный интерес представляет исследование поведения вещества в условиях глубоких метастабильных состояний, которые хорошо моделируются при нагреве аэрозольных частиц лазерным излучением.
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. К настоящему времени экспериментально обнаружены и теоретически изучены многие нелинейно-оптические эффекты в атмосферных аэрозолях - регулярное испарение, горение, сублимация твердых частиц, взрыв капель, пробой воздуха вблизи аэрозольных частиц. Основополагающие результаты получены в ИОА СО РАН, НПО "Тайфун", ИРЭ РАН, НИФХИ, МГУ, НижГУ, АГУ, ИФ АН Белоруси. Важными, ввиду своего сильного влияния на энергетику интенсивного излучения в замутненной атмосфере, являются эффекты взаимодействия излучения с водными аэрозолями в режиме взрыва капель.
Впервые взрывной режим вскипания жидких частиц в поле лазерного импульса был экспериментально зафиксирован методом скоростной микрофотосъемки одиночных капель. Взрывное разрушение связывалось с достижением в максимумах оптического поля в капле метастабильных состоянии вещества, и последующим появлением и ростом паровых пузырей. Фотографические (прямые) методы исследования позволили получить количественные значения энергетических порогов взрывного вскипания, а также исследовать временные харакіеристики процесса взрыва. Однако функциональные возможности прямых методов исследования ограничиваются в. основном рамками качественной оценки протекания наблюдаемых процессов, что связано с методическими возможностями извлечения информации при обработке получаемых в эксперименте изображений процессов. Кроме того исследования проводились с одиночными частицами с размерами г0 ~ 30 - 100-мкм (где г0 - начальный радиус капель). Таким образом из диапазона исследуемых размеров исключаются однородно поглощающие частицы 2ап г0 < I (где а„ -коэффициент объемного поглощения вещества частиц).
Косвенные методы исследования взрывного вскипания, когда о протекании процесса судят по изменению измеряемых в эксперименте величин - прозрачности, сигналу рассеяния, акустическому отклику, позволили получить данные об эволюции коэффициента ослабления и сигнала рассеяния при взрыве частиц облучаемого аэрозоля. Исследования оптических последствий взрывного вскипания было в основном направлено на изучение возможности создания каналов просветления в аэрозольных средах для оптимизации передачи лазерной энергии. Акустический отклик от аэрозольных частиц исследовался в тепловом режиме возбуждения звуковой волны применительно к задачам определения поглощающих свойств вещества (оптоакустическая спектроскопия), пространственной структуры излучения (оптоакустическая -томография), при оптическом пробое - нахождение концентрации аэрозольных частиц.
В области теоретических исследовании режима взрывного вскипания была предложена модель взрыва частиц, согласно которой взрыв связан с образованием и ростом одиночного парового пузыря из области максимального перегрева. Выход пузыря на свободную поверхность капли соответствует се локальному разрушению.
Дальнейшая разработка модели теплового взрыва проводилась с учетом рассмотрения стадии довзрывного нагрева капли. Было показано, что разрушение частиц происходит при температуре взрывного вскипания полы, для которой при атмосферном давлении дается значение - 593 К. Из решения уравнения о динамике парового пузыря была установлена неустойчивость его роста и высказано предположение, что она яапястея причиной разрушения капли.
Таким образом, к моменту начала исследований, полученные экспериментальные данные о взрыве носили, в большей степени, качественный характер, нллюстрнруюший существования данного нелинейно-оптического эффекта. Количественно были исследованы энергетические пороги взрывного вскипания, характерные времена процесса взрыва больших частиц. Практически полиостью отсутствовали
экспериментальные данные по взрыву малых однородно поглощающих частиц. Не были выделены такие измеряемые в эксперименте или определяемые из измеряемых величин, параметры процесса взрывного вскипания аэрозольных частиц в поле лазерного излучения, по которым можно проводить сравнение с теоретическими моделями. Недостаток количественных экспериментальных данных затрудняет построение моделей взаимодействия оптического излучения с аэрозолем и распространения мощных лазерных пучков через атмосферу, так как чисто теоретическое описанье процессов, без привлечения эмпирического материала, достаточно сложно |21].
ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы являлось следующее.
Экспериментальное исследование фазового взрыва малых однородно поглощающих частиц жидкокапельного аэрозоля в поле лазерного излучения. Выделение основных характеристик процесса взрыва и обоснование методики их определения по измерениям оптических последствий распространения лазерного излучения через аэрозольную среду. Получение количественной информации об этих характеристиках и их зависимостей от параметров воздействия.
Экспериментальное исследование взрыва больших неоднородно поглощающих частиц. Получение количественных зависимостей параметров юрыва от измеряемых в эксперименте величин оптических и акустических возмущений. Исследование влияния размера частиц и параметров излучения на протекание взрыва.
Разработка физических основ использования нелинейно-оптических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с аэрозолем для диагностики микрофизических свойств аэрозоля и структуры лазерных пучков повышенной интенсивности с использованием оптического и акустического зондирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем.
Определены основные характеристики процесса взрывного вскипания частиц при воздействии лазерного излучения - время гзрыва, степень
1 '
испарения, степень дробления. Обоснована экспериментальная методика измерения и исследования этих характеристик из измерений оптических и акустических последствий взрывного вскипания частиц в локальном аэрозольном объеме.
Получены данные об основных характеристиках процесса взрыва малых однородно поглошающих частиц, их зависимость от энергетических параметров воздействующего лазерного излучения. Результаты легли в основу полуэмпирической модели фазового взрыва малых частиц.
Исследованы закономерности формирования сигнала рассеяния от водного аэрозоля с различной начальной микроструктурой при его взрывном разрушении в поле лазерного импульса. Получены значения порогов взрыва н разрушения частиц аэрозоля. Показано, что полученные зависимости могут быть использованы для дистанционно!о бесконтактною определения распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка повышенной интенсивности.
Исследованы закономерности формирования акустического сигнала от аэрозоля с различной микроструктурой и от одиночных частиц рамичного размера. Показано, что эффективность преобразования поглощенной в частице энергии лазерного излучения в энергию звуковой волны, генерируемой при взрыве частиц, уменьшается с увеличением размера частиц. Получена зависимость амплитуды акустического отклика на фазовые -переходы в частицах от размера частиц и энергетических характеристик воздействующего лазерного излучения. Показано, что полученные зависимости содержат информацию о значениях величин порогов взрыва н разрушения частіш.
Показано, что совместное использование двух каналов регистрации -оптического и акустического - позволяет восстанавливать объемную концентрацию аэрозольных частиц.
По полученным из оптических и акустических измерений значениям порогов полного разрушения аэрозольных частіш при взрывном вскипании,
установлена зависимость величины порога от параметра скорости нагрева частиц лазерным излучением.
НАУЧНОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ результатов работы. Результаты, полученные в работе расширяют и углубляют представления о физике процессов взаимодействия интенсивных лазерных пучков с конденсированным веществом в дисперсном состоянии при реализации фазовых переходов в веществе частиц. Полученные данные об изменении микрофизических свойств аэрозоля в канале распространения лазерного пучка позволяют моделировать наиболее эффективные, с точки зрения передачи энергии, характеристики лазерных систем, работающих в реальной атмосфере. На основе полученных результатов предложены и апробированы в модельных условиях новые методы диагностики лазерных пучков повышенной интенсивности к параметров аэрозоля, основанные на измерении сигналов светорассеяния и акустического отклика от взрывающихся аэрозольных частиц, защищенные авторскими свидетельствами.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ определяется " следующими факторами: 1) Совпадением результатов, полученных в настоящей работе при использовании независимых экспериментальных методик. 2) Совпадением результатов, полученных в настоящей работе с результатами других работ, для частных случаев совпадения условий экспериментов. 3) Соответствием полученных экспериментальных данных результатам модельных теоретических расчетов, проведенных другими авторами.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты, полученные в диссертации, представлены в опубликованных работах (1 - 33]. Докладывались на 111 Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в дисперсных средах (Обнинск 1985), VIH, X, XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск 1985, 1989, 1991), XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск 1993), Всесоюзной конференции молодых ученых "Актуальные
вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамике" (Новосибирск 1986), IX, X Всесоюзной конференции по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Туапсе 1986, Томск 19S9). Всесоюзный симпозиум по фотохимическим процессам в земной атмосфере (Москва 1987), XV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных сред" (Одесса 1989), XV International Laser Radar Conference (Томск 1990), Topical Meeting on Atmospheric Optic (Italy 1991),. Российской аэрозольной конференции (Москва 1993), I Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмо> феры и океана" (Томск 1994, 1995), Международный аэрозольный симпозиум (Москва 1995), SPfli International Conference (Orlando 1995), PIERS (Seattle 1995).
НА ЗАЩИТУ выносятся следующие положения:
1. Акустический метод, основанный на измерении импульса даанчшч
в открытом объеме, генерируемого при изменении фазового состояния
вещества капельного аэрозоля, помешенного в оптическое поле, эффективен
для исследования процессов взрывного вскипания и разрушения частиц.
2. Пороги взрывного разрушения аэрозольных частиц, степень
испарения и степень дробления частиц при взрыве существенно зависят от
величины и скорости ввода лазерной энергии в вещество частиц.
3. Сигнал светорассеяния и акустический отклик, формируемые в
условиях взрыва часгиц в аэрозольной среде при воздействии интенсивного
лазерного излучения,, позволяют определять характеристики аэрозоля и
параметры воздействующего лазерного пучка.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 134 листах, включая 42 рисунка, 1 таблицу и библиографию, состоящ>то из 106 наименований.
