Введение к работе
Актуальность проблемы. Взаимодействие мощного лазерного чялуч»: ния с твердой преградой ножот приводить к возникновению у поворхнос ти последней так называемой приповерхностной лазерной плазмы (ПЛТП ПЛП являясь по существу нелинейным преобразователем энергии, рапк-кально меняет сам характер взаимодействия. Возникшая в результате взаимодействия лазерного йзлучепия с материалом плазма в одних случаях может улучшать условия выполнения технологической операции (ла зерно-плазменная обработка), в других ухудшать эта условия (резка» или делать выполнение операции с нужной точность» практически нспоо можгам (сверление). Исследования оптического пробоя яарополей тіриг. локают к себе внимание , например в связи с разработкой систем даль ней оптической локации. Таким образом , необходимость ровюния прикладных задач стимулирует интерес к определению ворогов?гя характеристик возникновения ПЛП при облучении твердых мишеней (поверхностей, микродефектов , аэрозольтге частиц) , находящихся в атмосфере окружающего газа. Накоплен обширный зкеперкменталышй материал. Появилось значительное число теоретических работ. Сформулированы яачест венные представления о механизме снижения пороговых пробойных иитин-сивностей лазерпого излучения вблизи, поверхности твердой преграды. В настоящее время преобладает точка зрения , в соответствии с которой шюсмообразовапио первоначально развивается в парах материала кагае-ни. Для образования плазми пзров необходимо, чтобы поверхностная плотность энергия и интенсивность лазерпого излучении превысили 09-которыо пороговые величины. Это связано с тем , что, во-первых, плотность пэров у поверхности долина вырасти до определенной величніш , для чего необходимо нагреть поверхность до температуры близкой и температуре кипения (отсюда условие на плотность энергии). Во-вторых, интенсивность йзлучепия дололіз быть достаточно высокой * чтобы в парах развилась ионизация. Пороговые плотность энергия и интенсивность связаны меаду собой. Это связь обусловлена физическими механизмами плээмообразоваяия. D пастоящео время известны несколько основпых механизмов образования ПЛП. В литература устоялось представление .что механизм, по которому пойдет плазмоосразованяе, существенно зависят от длительности лазерного импульса. Так при миллисекувдяом воздействии плазма образуется за счет нагрева и дарения союзной поверхности вещества, при микросекувдном - за cWi испарогш теплоизолиро-
вашшх микродефектов поверхности либо частиц аэрозоля (в случае пробоя газа, содержащего аэрозоль). Таким образом взаимосвязь мевду пороговыми пробойными энергией и интенсивностью и их величины различны для ГІЛІІ, образующейся под действием импульсов различной длительности по различным механизмам. Так, при шіазмообразоваюш под действием мшишеекувдних импульсов энергия долина быть достаточной для нагрева до температуры кипения основной поверхности образца. В микросекундном диапазоне воздействий достаточно нагреть до температуры кипения теплоизолированные микродефекты, которые разогреваются значительно биерее основной поверхности.В большинстве работ по пробою рассматривается, как правило, один из параметров образования НЛП (пороговая энергия либо интенсивность) обособленно в отрыве от другого. Отсутствуют простые, удобные для практического использования подходы, позволяющие определить пороговую интенсивность и плотность энергии ШіазмооОразоиаїшя и взаимосвязь мевду ними. Между тем, знание такой взаимосвязи необходимо для понимания физических процессов, "лежащих в основе образовании ПЛП. В моделях возникновения ПЛП на микродефектах поверхности для микросекундного диапазона воздействии не учитывается влияние статистического разброса микродефектов по размерам на пороговые энергии и интенсивности шюзмообразования. Однако, флуктуации размеров микродефектоа могут существенно сказываться на пороговой интенсивности и энергии возникновения ПЛП. В эксперименте это проявляется в так называемом размерном эффекте - резком возрастании пороговой пробойной энергии в лазерном импульсе с уменьшением площади пятна фокусировки луча. Не нашел теоретического истолкования ряд экспериментальных закономерностей оптического пробоя аэрозолей. Необходимость применения единого подхода для описаний процессов плазмоОразования по различным механизмам и определения взаимозависимости пороговых энергий и иитенсивностей в этих условиях и обусловили актуальность исследований, составивших предмет диссертации.
Целью работы является определение во взаимосвязи пороговых ин-гонсквностеи и энергий, необходимых для образования СШ1 но различным механизмам, при воздействии на твердые мишени (поверхности, микродефекты, аэрозольные частицы), находящиеся в атмосфора окружающего газа, лазерных импульсов различной длительности. Для этого:
примоннтолыт к парогазовым смесям записаны простые критерии лржхзвания ПЛП у поверхности приучаемых миллисекундными импульсами
на основе данных критериев получены уравнения пробоя, связывающие пороговую интенсивность и илотпость энергии в лазерном импульсе, необходимые для возникновения плазми,
рассчитала температура поверхности мишени в момонт образования плазмы струи паров в зависимости от интенсивности лазерного излучения для импульсов микрссокуидной длительности,
рассмотрено образование ПЛП за счет нагрева и испарения микродефектов поверхности с учетом флуктуации микродефектов по размерам и по числу в площади пятпа фокусировки,
объяснены особенности плазмообразования для гладких (яеркаль-пнх) п шероховатых поверхностей,
с целью обобщения и системзтиэаци результатов исследований построена диаграмма для определения порогов возникновения ПЛП; с помощью данной диаграммы наглядно показана связь мовду механизмом пробоя, длительностью импульса и свойствами материала митопи,
предложенная модель плазмообразования на микродофоктах модернизирована для определения пороговых характеристик пробоя аэрозолей.
Научная новизна результатов, полученных в данной роботе, состоит в следу идем:
1.Впервые получены соотношения , связквзщпе пороговые энергию п интенсивность излучения при образовании ПЛП по различным- механизмам - за счет испвреггая основной поверхности мигаопи (при воздействии миллисекундиых импульсов) и за счет испарения мякродефрктов ляп аэрозольных частиц (под действием микросекупдного излучения).
?., Дзпо простое, удобное для практического пркмопенля описание пороговых иктеисйвностей г, энергия пробоя перо и газа в парогазовой смеси при облучения металлов импульсами миллисокундной длительности.
-
Впервые учтено влияние флуктуации микродефоктов по размером я по числу в площади пятна фокусировки на пороговые звергготи .плазмообразования при воздействии микросекупддшх импульсов на металл»! >
-
Дано объяснение зависимости пороговой интенсивности пробоя на аэрозольной частице от длины волны лазерного излучения, разьдаров и материала аэрозоля, формы лазерного импульса, испаренного объема частицы и диамятра пятна фокусировки луча. '
Практическая ценность полученных результатов определяется воз-шяностыэ их использования для решения оапач оптектзацга рогкмов лазерной обработки материалов. Выбор репчг. смучений должен в кавдом конкретном случае определяться целями воздействия. Реаенн» этой вв-
дачи служат подученные в диссертации простые, удобные для драктичас-кого использования формули для определения пороговых пробойных инте-нсивностей и энергий при воздействии миллисокундных импульсов на металлы. Модель штзмоооразовапия на микродефектах ври облучении .ммк-росокундными импульсами объясняет зависимость иороговой энергии в лазерном импульсе, необходимой для возникновения ШШ, от площади пятна фокусировки луча. Автор защищает:
предложенное лростоо описание пороговых интенсивности и энергии пробоя парогазовых смесей при облучении тугоплавких металлов, находящихся в атмосферо инертных газов, импульсами мидлисекундной длительности,
результаты исследования зависимости температуры поверхности ьшшшш в момент' образовании плазмы струи ларов от интенсивности падающего яз'лучиния при воздействии микросекундных. импульсов на металлы,
статистическую модель возникновения ЦЛП на микродефектах, учитывающую влияние флуктуации размеров микродефектов на пороговые анергии шшэмобразования,
модель пробоя аэрозолей лазерним излучением.
Апробации работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на У1, УП Всесоюзной школе-семинаре "Вза-имодейтсвио мощного лазерного излучения с веществом" (Одесса, 1969, 1991), Международной конференции "Взаимодействие , мощного лазерного излучения с веществом" (Одесса, 1992), XI Европейской секционной конференции по атомной й молекулярной физике ионизированных газов (С.-Петербург, 1992)»"на научных семинарах Института высоких температур и Института общей физики.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований. Основное содержание работы изложено на 130 страницах, включая 14 рисунков и 4 таблицы.
