Введение к работе
Актуальность темы. Воздействие интенсивного лазерного излучения на вещество уже долгие годы является фундаментальной проблемой лазерной физики и нелинейной оптики материалов. Наибольший интерес представляют различные высокотемпературные процессы, приводящие к возбуждению пространственно-временных неустоичивостеи и структур на поверхности материала, имеющих принципиальное значение для определения физико-химических свойств конденсированной среды. Исследование таких процессов очень важно как в фундаментальном плане, так и для приложений. В первом случае речь идет о физической картине явлений и механизмах транспорта энергии и массы, а во втором - об эффективности воздействия лазерного излучения на вещество, что собственно и определяет возможности лазерной обработки материалов. Поэтому актуальность этой темы не вызывает сомнений, и в настоящее время здесь еще много нерешенных задач.
Динамика развивающихся при этом процессов может быть исследована специальными методами (например, скорость движения потока расплава - с помощью доплеровской анемометрии, период испарительно-капиллярных волн- по колебаниям интенсивности эрозионного факела и т.п.). Однако диагностика высокотемпературных процессов во время лазерного воздействия в самой области взаимодействия затруднена из-за присутствия экранирующего свечения эрозионного факела и собственного излучения нагретой до высокой температуры поверхности материала. Это препятствует применению для исследования зоны взаимодействия в реальном времени таких прямых и высокоинформативньгх методов, как скоростная кино- и фотосъемка, а именно такие прямые измерения представляют наибольший интерес в физическом плане, а также в аспекте управления и реального влияния на развитие возникающих процессов и явлений непосредственно во время лазерного воздействия. Решению этой проблемы с помощью лазерного проекционного микроскопа (лазерного монитора) и посвящена настоящая работа..
Целью работы является исследование лазерно-индуцированных термохимических и гидродинамических процессов на поверхности вещества и их диагностика в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа.
Методы исследования. В работе использовались современные методы динамической лазерной микроскопии, математического моделирования динамических процессов и неустоичивостеи в конденсированной среде, а также оптико-электронной регистрации и компьютерной обработки изображений. Научная новизна работы: 1. Предложен новый способ изучения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических процессов на основе
диагностики области лазерного воздействия в реальном времени при помощи лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости. Получено пространственное распределение толщины слоя компактного окисла в реальном времени. Показано, что экспериментальные результаты для реально изучаемьк поверхностей материалов могут значительно отличаться от ожидаемых теоретических зависимостей, рассчитанных для идеализированных поверхностей.
-
Впервые изучена в реальном времени динамическая картина пространственно-временных неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением на поверхности материалов, и выявлены условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур в условиях экранировки области лазерного воздействия излучением плазменного факела.
-
Разработана оригинальная лазерная система реального времени с компьютерной обработкой изображений для контроля высокотемпературных процессов на поверхности вещества в области лазерного и плазменного воздействия.
-
Предложен новый способ контроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.
Практическая ценность работы:
1. Разработанная в диссертации методика диагностики в реальном времени области лазерного воздействия на поверхность материалов может быть использована для изучения физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, физики нестационарных термохимических и гидродинамических высокотемпературных процессов, а также в задачах лазерных технологий.
2. Проведенные исследования динамики формирования пространственно-временных неустойчивостей и структур, индуцированных лазерным излучением на поверхности материалов, позволяют определить основные процессы, ответственные за конечные свойства материалов, и тем самым оценить практическое значение использования методов лазерного материаловедения.
3. Полученные результаты найдут применение при создании лазерных, плазменных и друпгх технологий обработки материалов нового поколения с управлением в реальном времени качеством обработки при введении в систему дополнительной обратной связи с использованием современных компьютерных систем анализа и обработки информации.
Основные положения, выносимые на защиту:
[. Созданная диагностическая лазерная система на основе лазерного
проекционного микроскопа с усилителем яркости и компьютерной обработкой
изображения позволяет определять пространственно-временные
характеристики лазерно-индуцированных термохимических процессов в
реальном времени и получать пространственное распределение их параметров в области взаимодействия непосредственно в процессе лазерного воздействия на поверхности различных материалов.
2. Разработанный оригинальный метод визуализации лазерно-
индуцированньгх гидродинамических неустоичивостеи в расплаве металлов при
экранировке области лазерного воздействия излучением плазменного факела
дает возможность диагностировать развитие неустоичивостеи на поверхности
материала и определять условия их возбуждения, а также измерять их
характерные пространственные и временные масштабы.
3. Управление процессом сварки оптических волокон и диагностика
качества сварного соединения с помощью созданного лазерного
диагностического комплекса привели к обнаружению эффекта
автоцентрирования за счет сил поверхностного натяжения расплава и
позволяют говорить о лазерных технологиях высокоточной сварки нового
класса.
Личное участие автора состоит в работе по созданию лазерной системы, предназначенной для диагностики лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества в реальном времени, и исследованиях конкретных высокотемпературных процессов (термохимических, гидродинамических и др.). Общее направление исследований и принципиальная постановка рассматриваемых задач были определены научным руководителем кандидатом физико-математических наук В.Г. Прокошевым и научным консультантом доктором физико-математических наук СМ. Аракеляном. Результаты, частично изложенные в п. 3.2.1 и п. 3.3.1 диссертационной работы, получены совместно со студентами-дипломниками С.А. Буяровым и Д.М. Беловым.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в научных журналах «Квантовая электроника», «Теплофизика высоких температур», «Письма в ЖТФ» и «Известия АН. Серия физическая», докладывались на международных научных конференциях LAE-8 (С-Петербург, 1996), NLMI-9 (С-Петербург, 1996), LANE'97 (Эрланген, Германия, 1997), «Лазерные технологии-98» (Шатура, 1998), «Оптика-99» (С-Петербург, 1999), II Международном симпозиуме по современным задачам лазерной физики (Новосибирск, 1997), а также на научных семинарах МГУ, ИПЛИТ РАН (г. Шатура) и других учреждений.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из них 4 статьи и 12 тезисов докладов, получено 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Материал диссертации изложен на 147 страницах, сопровождается 43 рисунками.
Похожие диссертации на Лазерно-индуцированные термохимические и гидродинамические процессы на поверхности вещества и их диагностика в реальном времени с помощью лазерного проекционного микроскопа
