Введение к работе
Актуальность проблема
В настоящее время все большее распространение получают различные способы лазерной обработки материалов и, в частности, лазерная закалка, сварка, сверление и резка металлов. Это связано, с одной стороны, с созданием надежных технологических лазеров, с другой стороны, о успехами в исследоваїшях по взаимодействию лазерного излучеігая с веществом.
Широкое применение в технологических целях получили газовые лазеры на основу СОаи твердотельные на основе неодима, генерирующие как в непрерывном режиме, так и в импульсном. При воздействии на металлы ео многих случаях более коротковолновое (г* 1 мкм) излучение неодимового лазера предпочтительнее длинноволнового (*ю мкм) лазера на СО . Это связано с тем, что многие металлы имеют значительно меньший коэффициент отражения на длине волны 1 мкм, чем на 10 мкм. С другой стороны, более длинноволновое излучение СО -лазера сильнее поглощается плазмой эрозионного факела, что порой сильно препятствует прохождению лазерного излучения.к поверхности.мишени.
С точки зрения технологического воздействия лазерного излучения на металлы наиболее подходящим является излучение с плотностью мощности, находящейся в диапазоне 105-10в Вт/сма. Как правило, при плотности мощности воздействующего лазерного излучения 10s-10* Вт/см2 производится закалка и сварка металлов, при плотности мощности 106-10а Вт/см3 - резка и сверление.
При воздействии лазерного излучения плотностью мощности 10е- 10* Вт/см2 на металлы происходит их .нагрев, плавление и частичное испарение, причем пары, вылетающие навстречу лазерному лучу, формируют прозрачный для падающего лазерного излучешш эрозионный факел. Процессы при данных плотностях мощности воздействующего излучения достаточно хорошо изучены кок теоретически, так и експериментально.
При воздействии на металлы лазерного излучения с плотностью мощности 106-10а Вт/сма поверхность мишени быстро нагревается, плавится и интенсивно испаряется. При втом обнаружено, что в
эрозионном факеле кроме плазмы и паров присутствует и кидкока-пельная фаза. При больших плотностях и температурах плазма может существенно влиять на прохождение лазерного излучения к зоне воздействия могут заметную роль играть также рассеяние и поглощение излучения на яздкокапельной фазе материала мишени. Эти вопросы недостаточно изучены, что в некоторых случаях существенно затрудняет оптимизацию режимов лазерной обработки металлов. К тому же присутствие в продуктах эрозии частиц конденсированной фазы существенным образом может повлиять на параметры оро-зионного факела, что, в свою очередь, во многих случаях сдерживает теоретические исследования таких двухфазных потоков.
Воздействие лазерного излучения на вещество достаточно перспективно не только в технических, но и в научных целях. Оно используется как средство получения сверхзвуковых модельных потоков с управляемыми параметрами, как источник света для научных и технических целей. Однако, все эти применения сдерживаются отсутствием более детальных знаний фазового состава про-, дуктов эрозии, оптических характеристик эрозионных факелов, влияния конденсированной фазы на параметры плазмы и их роль в шіазмодинамике. Учитывая вышесказанное, актуальным с научной и технической точки зрения является комплексное изучение состава и параметров эрозионных факелов металлических мишеней при воздействии на них лазерного излучения в широком диапазоне изменения параметров.
Цель работы:
. - разработать.методы и аппаратуру автоматизированной системы регистрации и обработки оптических характеристик врозиошшх лазерных факелов;
выяснить вклад различных факторов в поглощение и рассеяние лазерного излучения в продуктах эрозии;
выяснить механизм образования частиц жидкокапельной фазы;
определить роль частиц конденсированной фазы в динамике плазмообразования;
изучить влияние энергетических и пространственно-временных параметров лазерного излучения на процессы образования конденсированной фазы материала мишени;
определить приоритетность различных факторов, споообству-
мцих образованию мелкодисперсной конденсированной фазы;
- экспериментально обосновать новую более адекватную модель
разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной
интенсивности с учетом конденсированной фазы и определить пре
делы ее применимости.
Научная новизна:
экспериментально установлено и количественно измерено влияние частиц конденсированной фазы на оптические характеристики лазерных эрозионных факелов;
исследовано образование мелкодисперсной зшдкокапельной фазы уже с самого начала формирования эрозионного факела;
обнаружена смена механизмов образования конденсированной фазы, вначале воздействия в факеле появляются мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования, к концу лазерного импульса в факел поступают крупные частицы за счет гидродинамического механизма;
изучено пространственно-временное изменение поглощения и рассеяния лазерного излучения частицами материала мишени в эрозионном факеле;
обнаружена низкопороговая плазменная вспышка, инициируемая частицами конденсированной фазы;
на основании экспериментальных данных по измерению оптических характеристик эрозионных факелов металлов с различными теплофизическими свойствами в широком диапазоне изменения плотности мощности воздействующего излучения показано, что для каждого металла существует свой диапазон изменения плотности мощности излучения неодимового лазера, при котором основные потери излучения в эрозионном факеле определяются частицами конденсированной фазы;
установлены общие закономерности и отличия процесса формирования и развития эрозионных факелов при различных плотностях мощности для большой группы металлов;
экспериментально доказано, что частицы жидкокапелыгоп фазы материала мишени доиспаряются при движении навстречу лазерному лучу, создавая вокруг себя более плотную среду, чем- при адиабатическом разлете прозрачных паров:
измерены пространственно-временные распределения размеров
' - 5 -
и концентрации частиц мелкодисперсной зшдкокапельной фазы материала мишени в зависимости от плотности мощности и пространственно-временных характеристик воздействующего лазерного излучения;
определена приоритетность различных факторов, способст-ствующих объемному парообразованию в металлических мишенях;
експериментально обоснована более адекватная модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающая наличие в эрозионном факеле частиц конденсированной фазы.
Научная и практическая ценность работы.
Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись по союзным и республиканским целевым комплексным программам, постановлениям правительства и других директивных органов. Проведенные в работе исследования позволили експериментально обосновать более адекватную модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающую конденсированную фазу материала мишени в продуктах эрозии. Для большой группы металлов экспериментально найдены пределы применимости этой модели.
Определена роль конденсированной фазы в процессах разрушения металлов и сплавов под действием лазерного излучения, что позволяет прогнозировать и определять оптимальные реашмы лазерной обработки металлов.
Разработана методика и аппаратура автоматизированного сбора, хранения и обработки информации в оптикофизическсм эксперименте, позволяющие исследовать размеры и концентрацию частиц конденсированной фазы в реальном времени их существования, а также быстро и надежнопроводить спектроскопические измерения. Эта методика используется также и для исследований при создании источников ультрафиолетового излучения и для контроля размеров частиц в процессе их формирования при изготовлении порошков для целей порошковой металлургии."
Защищаемые положения
1. Метод и аппаратура автоматизированного сбора, хранения и обработки информация б сптикофизичвском бксперішвктб, позболяю-
щие контролировать размеры и концентрацию частиц конденсированной фазы в реальном времени их существования.
-
Для каждого металла существует диапазон плотности мощности воздействующего излучения, в котором уже ' с самого начала образования эрозионного факела в него поступает жидкокапельная фаза материала мишеїш за счет объемного парообразования.
-
В первоначальной стадии воздействия в' эрозионный факел поступают мелкие частицы за счет объемного парообразования, в конце лазерного импульса происходит смена механизма образования частиц и в факел поступают крупные частицы за счет гидродинамического механизма.
-
Частицы жидкокапельной фазы, двигаясь навстречу лазерному лучу, доиспаряются, образуя вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.
-
При достижении определенной плотности мощности, характерной для каждого металла, в эрозионном лазерном факеле происходит низкопороговая плазменная вспышка, инициируемая частицами жидкокапелыюй фазы.
-
Результаты экспериментальных исследований по влиянию энергетических.и пространственно-временных характеристик воздействующего лазерного излучения на процессы образования жидко-капельной фазы.
-
Получение двухфазных потоков с управляемыми параметрами, результаты их исследований.
-
Определение приоритетности факторов, способствующих объемному парообразованию в лазерных мишенях.
-
Экспериментально обоснованная более адекватная модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности, учитывающая в продуктах эрозии мелкодисперсную кидкокапельную фазу материала мишени и найденные пределы ее применимости.
Апробация работа и публикации
Основные результаты работы докладывались на X юбилейной национальной конференщш по атомной спектроскошш с международным участием (Велико Тырново, Болгария, 1982 г.); VI Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984 г.); Всесоюзной конференции по
применению лазеров в народном хозяйстве (Звенигород, 1985 г.); VIII Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1936 г.); VII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988 г.); III Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1988 г.); Всесоюзной конференціш "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989 г.); VIII Всесоюзной конференціш по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.); XIV Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Челябинск, 1991 г.); Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993 г.).
По результатам выполненных исследований опубликовано более 30 работ.
В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и под его руководством совместно с сотрудниками .лаборатории лазерной плазмодинамики НИИ прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко. В опубликованных совместно работах автор определял направление и ставил задачу исследований, участвовал в проведении и обсуждении экспериментов и расчетов, интерпретации результатов.
Во введении излагается состояние вопроса по исследуемой проблеме, обоснована актуальность задачи, сформулирована цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы,представлены сведения об апробации работы.
В первой главе рассматриваются вопросы взаимодействия лазерного излучения умеренной интенсивности на металлы. Физические процессы, происходящие в металле при поглощении им лазерного излучения, заключаются в следующем. Лазерное излучение, падающее на поверхность, поглощается в тонком слое толщиной 10"s- 10~6 см. Ответственным за это поглощение являются электроны проводимости, которые передают полученную энергию кристаллической решетке через неупругие столкновения с ионами решетки. Таким образом, в тонком слое металла начинает действо-
вать мощный тепловой источник.
При малых плотностях мощности воздействующего излучения q основными процессами являются нагрев и плавление металлов, при умеренных - существенный вклад вносит испарение. При воздействии лазерного излучения на металлы, когда существенную роль играет испарение, с течением времени в зоне воздействия возникает эрозионная лунка. Практически одновременно с.началом испарения начинается формирование лунки и плазменного факела. Сам по себе процесс испарения представляет собой унос вещества с поверхности облучаемого тела и является результатом газодинамического движения, которое возникает как следствие возрастания давления вблизи поверхности твердого тела за счет поглощения падающего излучения.
Как показывают скоростные фотосъемки эрозионных лазерных факелов, наибольшее свечение продуктов эрозии происходит вблизи мишени. При удалении от поверхности мишени свечение уменьшается и вновь резко увеличивается только на расстояниях в несколько сантиметров. Это объясняется тем, что испаренное вещество вылетает из эрозионной лунки как из сопла со сверхзвуковой скоростью. При обычных условиях воздействия, как правило, реализуется режим сверхзвукового истечения продуктов эрозии "из лунки-сопла в условиях недорасширения и формирования струи с неподвижной ударной волной или диском Маха. При этом в пеподвикной ударной волне скорость продуктов эрозии становится дозвуковой, поступательная энергия частиц струи переходит в тепловую, а свечение вследствие увеличения плотности и температуры резко увеличивается.
При острой фокусировке лазерного излучения металл, вначале испаряется в большой телесный угол, а затем по мере образования глубокой лунки формируется узкая струя. Однако, с течением времени лунка растет не только в глубину, но и в ширшу и ее конечный диаметр может значительно превышать диаметр светового пятна. Это свидетельствует о том, что в формировании лунки, помимо процесса испарения, участвует ряд вторичных процессов: нагрев стенок образующимся внутри лунки паром, излучением продуктов эрозии и рассеянной радиацией с последующим их плавлением и гидродинамическим размывом истекающим газовым потоком. В результате гидродинамического механизма к концу лазерного воздействия
- Ъ -
импульсом давлеїшя в эрозионный факел виОраеиваются достаточно крупные (10-100 мкм) жидкие капли материала мишени, которые составляют значительную часть массы всего выброшенного из лушси вещества.
Однако поступление жидкокапельных частиц в эрозионный факел експериментально замечено и на более ранних стадиях воздействия. Такие частички могут появиться за счет объемного парообразования в расплавленном слое металлической мишени. Хотя для идеальных металлов, не содержащих примесей и дефектов структуры, объемное парообразование в тонком слое поглощения при плотностях мощности 106-10 Вт/см2 затруднено, однако оно может реализоваться за счет пространственной неоднородности плотности мощности лазерного излучения, характерного для генерации в свободном "режиме. Может облегчаться объемное парообразование и за счет газов, растворенных в металлах. К объемному парообразованию могут привести и различные вкрапления и структурные неоднородности. Во многих работах по выявлению влияния объемного парообразования на формирование жидкокапельной фазы материал мишени использовалась острая фокусировка лазерного излучения на мишень и поэтому в етом случае кроме объемного парообразования начинает действовать и гидродинамический механизм образования капель. Для уточнения вопросов объемного парообразования необходимо ставить более тонкие эксперименты, позволяющие разделить механизмы образования частиц.
Теоретические оценки, а также детальные одномерные и двумерные расчеты лазерной плазмы с учетом конденсированной фазы для целого ряда металлов показывают, что роль конденсата весьма существенна и ее присутствие в плазменном факеле сильно изменяет параметры плазмы. С другой стороны, частицы конденсировашюй фазы материала мишени поглощают и рассеивают падающее на мишень лазерное излучение, и тем самым могут влиять на транспортировку энергии лазерного излучения через продукты эрозии к поверхности мишени. Поэтому необходимы комплексные исследования продуктов эрозии металлов при воздействии на них лазерного излучения умеренной интенсивности, позволяющие изучить динамику жидкокапельной фазы, ее влияние на прохождение лазерного излучения к поверхности мишени и на параметры эрозионного факела в целом, а также влияние частиц конденсированной фазы на динамику плазмо-
- 1С - .
образования, что позволило бы обосновать более адекватную модель разрушения металлов под действием лазерного излучения умеренной интенсивности
Во второй главе описываются методы и техника экспериментов при исследовании взаимодействия лазерного излучения с металлами. Для исследования взаимодействия лазерного излучения с продуктами разрушения разработан метод лазерного зондирования, позволяющий одновременно измерять долю прошедшего, рассеянного и поглощенного излучения зондирующего лазера. Для реализации этого метода лазерная мишень помещалась в интегрирующую сферу и через отверстия в этой сфере на мишень поступало излучение плазмообразующего неодимового лазера, а также падающее в поперечном направлении на эрозионный факел зондирующее и прошедшее излучение рубинового лазера. Кроме того, в теневой части мишени через отверстие в интегрирующей сфере выводилось излучение для регистращш: рассеянной компоненты. Таким образом, в експерименте удается одновременно контролировать плотность мощности падающего "(зондирующего) на эрозионный факел
излучения PTT„„(t), плотность мощности излучения, прошедшего 49-пад
рез факел Р (t), и плотность мощности излучения, рассеянного факелом P„(t). Из баланса энергии очевидно соотношение:
W*> =Pnp(t) +Ррас<*> +Рпог^> <1>
где: Р (t) - плотность мощности зондирующего излучения, поглощенная эрозионным факелом.
Произведя нормировку к единице, получим:
VtJ + W*>+ W*) -1 (2)
При этом имеется ввиду:
pm(t) *0IV Pnor(t)
Следовательно, измеряя P (t), Prm(t) и P__„(t), можно опреде-лить Kjjrjft) и K^a0(t), а следовательно, и вычислить из (2)
- II -
Для устранения влияния фоновых засветок излучения эрозионного факела, ламп накачки, воздействующего ноодимового лазера перед фотоприемниками, регистрирующими зондирующее, прошедшее и рассеянное излучеіше, ставятся стеклянные и интерференционные светофильтры. Кроме того, для отих же целей подбираются соответствующие частотные характеристики фотоприемников и временные характеристики"излучения зондирующего лазера.
Для автоматизированного сбора и обработки информации экспериментов по зондированию эрозионных лазерных факелов разработан многопараметрический автоматизированный регистратор (MAP), позволяющий производить:
преобразование величины аналогового сигнала, снимаемого с датчика, в цифровой код по нескольким каналам (от 1 до 10);
накопление информации в промежуточной буферной памяти;
передачу содержимого буферной памяти в ЭВМ;
отображение содержимого буферной памяти на осциллограф или двухкоординатный самописец..
MAP может работать с частотой дискретизации входного аналогового сигнала 1О0;2ОО,40О и 800 не,' перекрывая при этом максимальный временной диапазон регистрации входного сигнала 6,.5 мс. MAP имеет два режима работы: автономный и на линии с ЭВМ. Для работы регистратора на линии с ЭВМ в автоматическом режиме была разработана специальная программная система, обладающая следующими возможностями:
организация и использование пользовательских баз данных с возможностью хранения, обработки и визуализации данных любых видов (целых, действительных чисел, "текстов и их сочетаний);
простой человеко-машинный интерфейс, основанный на односимвольных командах, иерархическом срочном меню и шаблонах;
вывод графических изображений и текстовой информации в отдельный файл на диске и принтер с Epson совместимой системой команд;
оформление графических изображений перед их выводом;
. - нормировка, интерполяций, сглаживание и обработка по формулам (арифметические операции, функциональные преобразования и пр.) цифровых данных, поступающих от ОМА;
экспорт и импорт данных;
ручное редактирование поступающей информации.
Для выполнения некоторых задач настоящей работы был разработан автоматизированный спектроанализатор на основе оптического многоканального анализатора (ОМА). Анализатор можно использовать для вывода спектральной информации непосредственно со спектрографа, а также путем предварительной регистрации спектра на фотопленку или фотопластинку с последующим проецированием его в приемную камеру ОМА. Первый способ ввода информации более оперативен, а второй более универсален, так как позволяет обрабатывать спектры, полученные с различных спектральных приборов, в том числе таких, у которых более широкая область спектральной чувствительности или лучшее временное разрешение.
Автоматизированный спектроанализатор может работать как в автономном режиме, так и в режиме совместно с ЭВМ.
Возможности многоканального спектроанализатора и программное обеспечение позволяют оперативно выполнять любую стандартную процедуру обработки спектра, включая расшифровку, измерение интенсивностей и ширші спектральных линий, анализ контуров линий с учетом аппаратной функции прибора, построение характеристической кривой фотоматериала, вычисление температуры и концентрации заряженных частиц плазмы и т.д. Без спектральной приставки ОМА позволяет оперативно контролировать пространственное распределение световой энергии лазерного излучения по площади светового пучка.
Контроль параметров эрозионной плазмы осуществлялся с помощью известных спектроскопических методов, скоростных киносъемок, интерферомвтрических измерений.
Третья глава посвящена изучению взаимодействия излучения неодимового лазера в режиме свободной генерации с металлами. С этой целью были поставлены вксперименты с цинковой мишенью. На мишень, представляющую собой плоскую пластинку, помещенную в центре интегрирующей сферы, сфокусировано излучение неодимового лазера в режиме свободной генерации с общей энергией до 1,5 кДк и длительностью импульса 900 мкс. Фокусировка излучения неодимового лазера производилась таким образом, что фокус линзы располагался за мишенью, а на поверхности мишени освещалось пятно диаметром 7,5 мм.
Образующийся эрозионный факел зондировался излучением вспомогательного рубинового лазера, работающего в режиме излучеїшя
регулярных пичков. Общая длительность генерации рубинового лазера составляла 1,5-10~3с, зондирование эрозионного факела производилось перпендикулярно оси факела на различных расстояниях от поверхности мишени. Для расстояния 1,5 мм были проведены исследования при различных энергиях плазмообразующего неодимового лазера: 1300 Дж, 900 Дж и 340 Дж. Одновременно с зондированием эрозионного факела'спектроскопическими методами контролировались параметры плазмы в зоне зондирования.
Ход кривых К», U) и К_ (t) в втих экспериментах показывает, что в течение первых 50 мкс рассеяние и поглощение увеличиваются (см.рис.1), достигая стационарного значения, и в течение последующих 400 мкс изменяются слабо. Через 400-500 мкс после начала плазмообразования коэффициенты резко изменяются, достигая экстремального значения к концу импульса излучения неодимового лазера (800-900 мкс). Такое резкое изменение коэффициентов можно объяснить появлением к концу импульса неодимового лазера большого количества жидких капель материала мишени, образующих-.ся за счет гидродинамического механизма.
Однако поглощение и рассеяние эрозионным факелом зондирующего излучения происходит на протяжении всего времени воздействия излучения неодимового лазера, только в несколько меньшей степени, чем в конце импульса. В данной работе более подробно исследовалась начальная стадия (0-500 мкс) экранировки лазерного излучения продуктами разрушения материала мишени.
Используя величины параметров плазмы, определенные с временным и пространственным разрешением спектроскопическими методами, были оценены возможные потери излучения зондирующего лазера за счет известных механизмов поглощения в плазме. Такими механизмами являются фотоэлектрическое поглощение электронами в поле ионов и нейтральных атомов. Суммарный коэффициент поглощения плазмой эрозионного факела для эксперимента с энергией плазмообразующего неодимового лазера 340 Дж составляет менее 0,002, а для энергии 900 Дж - 0,03. Даже- при максимальных параметрах плазменного факела поглощений в плазме не превышает 0,09 и значительно меньше, чем это наблюдается в эксперименте. Как показал анализ спектров эрозионного факела, резонансное поглощение зондирующего излучения рубиноврго факела в плазме цинковой мишени отсутствует.
Релеевское и томпсоновское рассеяния также не могут объяснить ход кривой 1С ао(t), так как их сечения в данном эксперименте оцениваются величинами соответственно 1,8-Ю"26 и 0,67-10-24 см2.
Роль турбулентностей плазмы как одного из источников рассеяния лазерного излучения определялась с помощью корреляционного анализа интерферограмм плазменного факела. Показано, что турбулентности исследуемой плазмы не могут внести существенный вклад в рассеяние зондирующего излучения.
Наиболее вероятным механизмом, объясняющим ход величин IL(t), К (t) и KJIor(t), является поглощение и рассеяние излучения рубинового лазера на частицах жидкокапельной фазы материала мишени.
Убедительным подтверждением механизма потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния на частицах жидкокапельной фазы является эксперимент с самоподжигающимся импульсным оптическим разрядом. Такой разряд получается при фокусировке, лазерного излучения на мишень*, если фокус линзы расположен на расстояіши в несколько сантиметров от поверхности мишени. При этом плотность мощности лазерного излучения на мишени всегда меньше, чем при удалении от нее, увеличиваясь, 'она достигает максимального значения в области каустики линзы. Продукты разрушения мишени, двигаясь навстречу лазерному лучу, взаимодействуют с излучением возрастающей плотности мощности. При определенной плотности мощности, которая определяется материалом мишени, геометрией фокусировки и мощностью лазера, зажигается оптический разряд в продуктах эрозии материала мишени.
В экспериментах с цинковой и латунной мишенями спектроскопическими методами измерены температура плазмы Т и концентрация электронов По. Одновременно с этим производилось зондирование самоподішгающегося разряда излучением рубинового лазера, контролируя при этом коэффициент ослабления Косл.
Как показали эксперименты с цинковой мишенью, температура плазмы вблизи мишени незначительна и составляет 4500К, несколько снизившись при удалении от поверхности мишени, в дальнейшем она остается постоянной. При подходе к фокусу линзы'температура плазмы резко увеличивается до 12 кК. Аналогичным образом ведет себя и По, увеличиваясь с 1016 см"3 вблизи мишени до
5-Ю17 см"э в области фокуса линзы. Однако коэффициент ослабления зондирующего излучения максимален у поверхности мишени. При удалении от нее К резко уменьшается и в области фокуса линзы становится незначительным.
Аналогичная картина наблюдается и в случае меднощшкового сплава ЛС-59, отличаясь только количественными результатами.
Эксперименты с самоподжигающимся импульсным оптическим разрядом показали, что зона максимальных потерь лазерного излучения находится вблизи мишени, где максимальное количество жидко-капельной фазы, а не в зоне максимальных параметров плазмы (в области каустики фокусирующей линзы); инициирование разряда происходит за счет доиспаряющихся жидких капель; поведение потерь излучения рубинового и неодимового лазеров аналогичны. Это говорит о том, что единственным механизмом значительного ослабления лазерного излучения вблизи мишени может быть поглощение и рассеяние излучения частицами материала мишени в виде капель, которые могут образоваться с самого начала лазерного воздействия вследствие объемного парообразования, в отличие от .частиц, появляющихся в основном в конце лазерного импульса за счет гидродинамического механизма.
Для идеальных металлов, не содержащих примесей и дефектов структуры, объемное парообразование в тонком слое поглощения при плотностях мощности 106-107 Вт/см2 затруднено, однако в мишенях из реальных металлов оно может реализоваться. Этому могут способствовать различные факторы: пространственно-временные неоднородности воздействующего лазерного излучения-, газы, растворенные в металле, различные включения и дефекты кристаллической структуры.
Эксперименты с мишенями, полученными методом порошковой металлургии, полностью подтверждают механизм образования частиц в первоначальной стадии воздействия за счет объемного парообразования. В этих экспериментах облучались мишени из меди холодного проката и из меди, изготовленной'методом порошковой металлургии, как чистой, так и с,различным количеством добавки из молибдена .
Следует отметить, что в зависимости от размеров частиц материала мишени соотношение между поглощенной и рассеянной компонентами зондирующего излучения долзіііо меняться. Для малых ча-
частиц и в эрозионный факел поступают довольно крупные -жидкие капли, образующиеся за счет гидродинамического механизма.
Для моме,нга времени t* = 300 мкс после начала лазерного воздействия были измерены натуральные показатели поглощения а' и рассеяния г' вдоль эрозионного лазерного факела цинковой мишени. При удалении.от поверхности мишени эти показатели уменьшаются, что мо5шо объяснить доиспарением частиц, образовавшихся за счет объемного парообразования у поверхности мишени, при их движении навстречу лазерному излучению.
Таким образом, часть излучения лазера теряется в эрозионном факеле и не доходит до поверхности мишени. И хотя доля этого излучения в данном случае невелика, однако, доиспаряя частицы материала мишени, оно создает более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров; а это, в свою очередь, может существенным образом повлиять на всю плазмодинамику эрозионного факела.
Аналогичные эксперименты были сделаны и для других металлов при плотности мощности излучения неодимового лазера 106 Вт/см2. По результатам экспериментов исследуемые металлы условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы со сравнительно низкой температурой кипения (Cd, Pb, Zn, Bi, Mg), ко второй - со средней температурой гашения (А1, Си, N1) и к третьей - металлы с высокой температурой кипения (Ті, Mo, W). Для металлов с низкой температурой плавления и кипения характерно появление рассеяния уже с самого начала воздействия излучения неодимового лазера или с небольшой задержкой. Также как и у Zn у этой группы металлов в начале воздействия образуются мелкие частицы материала мишени за счет объемного парообразования, а к концу лазерного импульса происходит смена механизма образования частиц и в эрозионный факел поступают довольно крупные жидкие капли благодаря гидродинамическому механизму.
Для металлов с более высокой температурой плавления и испарения (А1, Си, N1) наблюдается задержка появления рассеянного сигнала. Для алюминия заметное рассеяние начинает сказываться «через 300 мкс после начала генерации неодимового лазера, для меди - 500 мкс, а для никеля - 600 мкс. У этих металлов то:ко первоначально за счет объемного парообразования формируется мелкодисперсная жидкокапельная фаза, а б конце лазерного кмпу-
- i'J -
льса в факел поступают более крупные частицы за счет гидродинамического механизма.
Для металлов о очень высокой температурой испарения (Ті, Mo, W) влияние крупных частиц на прохождение лазерного излучения незначительно. Заметное рассеяние на крупных частицах появляется или к концу импульса лазерного излучения, как это происходит на молибдене, или совсем не появляется, как это происходит на вольфраме. Поглощение лазерного излучения, которое в данном случае может определяться наличием большого количества мелких частиц, весьма 'заметно уже с самого начала воздействия на мишень излучения неодимового лазера.
По соотношению (4) размеры частиц, образующихся за счет объемного парообразования, определяются как d << X. Более детальные исследования размеров частиц свинцовой мишени проведены при-плотности мощности излучения неодимового лазера 2,3-10й Вт/сма. По измеренному экспериментально отношению коэффициента рассеяния и коэффициента поглощения зондирующего излучения, используя теоретически рассчитанную по теории Ми зависимость данного отношения от диаметра рассеивающих частиц, были определены диаметры- яидких капель свинца, образованных за счет механизма объемного парообразования в зависимости от времени лазерного воздействия, а также от высоты зондирования. Кроме того были измерены числовая N и объемная концентрация Cv частиц. Результаты этих экспериментов изображены на рис.2. Исследования показали, что для всех расстояний h от поверхности с увеличением времени воздействия лазерного излучения на мишень диаметры капель растут сначала медленно (100-400 мкс), а затем резко возрастают. Это объясняется переходом процесса объемного парообразования в гидродинамический. С ростом расстояния от поверхности мишени для одного и того же момента времени диаметр частиц падает. Это связано с процессом доиспарония частиц жидкокапельной фазы по мере их движения навстречу лазерному лучу, что подтверждается и измерениями N и Cv.
Четвертая глава посвящена изучению процессов в эрозионных лазерных факелах в зависимости от плотности мощности воздействующего лазерного излучения.
Для проведения исследований при различных плотностях мощности использовалось излучение неодимового лазера в режима свобо-
- 2G -
a)
-2 d 10. MKM
~*O0 t. икс
6)
Cv- 10"
- 1.4
- 1.0
h, мм
0.2
Рис. 2 Зависимость от оремени диаметра жилких капель fa) и ичмрнрни'? влоль Факела числоеой N и объемной Cv концентрации частиц жидкой фа эы f'i) (1 - h='l.5 мм: 2 - h-З мм: 3 - h=6 мм і
'Jf.'!
дной генерации с энергией ло 1,5 кДк за 0,9-Ю"3 с. Зондирование производилось на расстояшш 1,5 мм от поверхности мишени. Диаметр зондирующего луча составлял 1,5 мм, а плотность мощности не превышала 10* Вт/сма, чтобы не возмущать параметров зондируемой среды.
В качестве мишеней в настоящих экспериментах использовались пластины из легкоплавких металлов: свинца, кадмия, магния, висмута и цинка. Поперечное зондирование эрозионных факелов вышеуказанных металлов при различных энергиях плазмообразующего не-одимового лазера показало, что появление заметных потерь излучения зондирующего лазера носит пороговый характер. При атом уровень плотности мощности неодимового лазера, при котором это происходит, зависит от теплофизических свойств металла.
Для цинковой мишени при энергии в импульсе равной 320 Дж'не протяжении основного времени воздействия продукты разрушения прозрачны для зондирующего излучения, и только к концу импульса неодимового лазера появляются незначительные -потери зондирующего излучения. Эти потери определяются частицами жидкокапельной фазы, образующейся за счет гидродинамического механизма. При увеличении энергии неодимового лазера до 350 Дж обнаруживается рассеяние и поглощение зондирующего излучения уже с самого начала воздействия плазмообразующего лазера. Это связано с появлением частиц за счет объемного парообразования. При дальнейшем увеличении энергии неодимового лазера происходит увеличение потерь зондирующего излучения как за счет поглощения, так и за счет рассеяния. Во всех этих случаях коэффициенты рассеяния и поглощения изменяются во времени достаточно плавно. При энергиях неодимового лазера, превышающих 1000 Дж, на кривой потерь за счет поглощения начинают появляться резкие выбросы длительностью * 40 мкс, а кривая потерь за счет рассеяния по-прежнему остается достаточно плавной. С увеличением плотности мощности воздействующего лазера происходит увеличение числа выбросов на кривой K^or(t) при относительном увеличеіши потерь зондирующего излучения за счет'"поглощения, а Кг>ас(Ъ) даже несколько снижается.
Для выяснения такого изменения Knor(t) был проведен дополнительный эксперимент, одновременно с зондированием эрозионного лазерного факела, образованного воздействием излучения нео-
димового лазера с энергией 1320 Дж на цинковую мишень, .производились спектроскопические измерения параметров плазмы факела в зоне зондирования. Результаты отого эксперимента представлены на рис.3 в виде кривых температуры, концентрации и показателя поглощения X плазменного факела, полученные спектроскопическими методами. Кроме того, приведен показатель поглощения эрозионного факела хф, полученный методом зондирования.
Анализ кривых, представленных на рис.3, показывает, что в момент увеличения коэффициента поглощения в эрозионном факеле при поперечном зондировании происходит увеличение температуры и концентрации электронов; в это же время увеличивается и показатель поглощения X . Таким образом, можно сделать вывод, что в момент резких увеличений коэффициента поглощения происходит увеличение поглощательной способности плазмы ("вспышка поглощения" ).
Из сказанного можно себе представить следующую картину. При энергиях в импульсе неодимового лазера меньших 320 Дж продукты разрушения цинковой мишени поступают в эрозионный факел в виде прозрачных паров. С увеличением плотности мощности уже с самого начала воздействия появляются мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования и заметно поглощение и рассеяние зондирующего излучения рубинового лазера. С дальнейшим увеличением плотности мощности неодимового лазера число частиц материала мишени увеличивается, что приводит к увеличению поглощения и рассеяния на них. Жидкокапельные частицы, двигаясь в поле излучения неодимового лазера, поглощают его и, доиспаряясь, создают более плотную среду, что облегчает процесс "вспышки поглощения". Для цинковой мишени в условиях описываемых экспериментов "вспышки поглощения" происходят при достижении энергии 1050 Дж; при этом происходит резкое увеличение параметров (Т, n», X ) плазмы. При этом доля рассеянного излучения зондирующего лазера уменьшается, что можно объяснить уменьшением размеров частиц и их концентрации. Аналогичные процессы происходят и в эрозионных факелах других исследуемых металлов (Pb, Cd, Mg, Bi, Al, , N1), отличаясь только количественными результатами.
На примере никелевой мишени било экспериментально показано, что диаметры частиц уменьшаются при увеличении плотности мощности воздействующего на мишень лазерного излучения. Это объяоня-
- 2о -
го
аелсм
t икс
Ркс.З. временная зависимость теїлпературц (а), концентрации олеі.троно-i (6), показателей поглощения іи;аз;.;и (ь) и орозії-опного факела (г) для цинковой і.іііііієни прі; энергии плазг.о-ооризущого лазера I32L Д:-.с.
ется тем. что о увеличением плотности мощности в зоне облучения быстрее и в более тонком слое наступает перегрев расплавленного металла, и, .как следствие втого, за счет объемного парообразования в эрозионный факел поступают более мелкие частицы. С другой стороны, частицы, двигаясь навстречу лазерному излучению, интенсивнее доиспаряются при больших плотностях мощности и могут иметь меньший размер, когда они попадут в зону зондирования (h = 1,5 мм). Показано, что в момент "вспышки поглощения" частицы, доиспаряясь, уменьшаются в диаметре.
Несколько иначе происходит разрушение тугоплавких металлов (W, Mo, Zr, Ті). Первоначально эрозионный факел состоит из слабосветящихся, но сильнопоглощающих продуктов, затем происходит оптический пробой в продуктах эрозии и наблюдается резкое возрастание параметров плазмы; затем в факел поступают мелкие жидкие капли за счет объемного парообразования, которые охлаждают факел.
Детальные спектроскопические исследования эрозионного факела медной мишени позьолили определить пространственно-временное распределение вдоль факела плотности плазмы. Ход кривой плотности вдоль факела говорит о том, что давление при удалении от поверхности мишени растет не только за счет увеличения температуры, но и за счет поступления в эрозионный факел дополнительных паров. Этот эксперимент является еще одним подтверждением доиспарения жидкокапельных частиц материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу. Это подтверждение получено принципиально другим способом - спектроскопическим. Одновременно с этим показано, что, доиспаряясь, частицы материала мишени создают более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.
На основе проведенных исследований можно предположить следующую картину развития эрозионных факелов при воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности на металлы. С увеличением интенсивности воздействующего излучения в эрозионный факел, состоящий вначале из прозрачных паров, за счет объемного .порообразования начинают поступать частицы мелкодисперсной жид-кокапелыюй фазы материала мишени, которые рассеивают и поглощают лазерное излучение. Двигаясь навстречу лазерному л;чу и доиспаряясь, они создают вокруг себя более плотную среду, ч<м
- :-jo -
при адиабатическом разлете прозрачных паров, и при достижении определенной плотности мощности, характерной для каждого металла, некоторые частицы инициируют вокруг себя плазменную вспышку ("вспышку поглощения"); затем число таких вспышек увеличивается и частицы почти полностью испаряются.
Исключение составляют тугоплавкие металлы, у которых вначале у поверхности мишени образуется слабосветящийся слой, потом при достаточно больших энергиях неодимового лазера образуется сильнопоглощающий плазменный слой, затем в факел начинают поступать мелкие жидкие капли, которые, доиспаряясь, понижают параметры плазмы.
Для каждого исследованного металла был определен диапазон изменения плотности мощности неодимового лазера, излучающего в режиме свободной генерации, в котором частицы материала мишени, образующиеся за счет объемного парообразования, существенным образом влияют на оптические и теплофизические характеристики эрозионного лазерного факела. При плотности мощности излучения ниже этого диапазона образующиеся продукты разрушения прозрачны для излучения. При превышении диапазона потери излучения в основном определяются поглощением в плазме. Эти диапазоны оказались следующими: цинк - 0,9 - 2,65 МВт/см2; свинец - 0,3 -0,9 МВт/см3; кадмий - 0,7 - 1,9 МВт/см2; магний - 0,7 -2,2 МВт/см2; висмут - 0,25 - 2,15 МВт/см2; алюминий - 1,3 -3.0 МВт/см2; никель - 1.6-3.3 МВт/см2; медь - 4-12 МВт/см2; титан - 0,7-1,1 МВт/см2; вольфрам - 2,6-4,2 МВт/см2; цирконий -2,6-5,6 МВт/см2; молибден - 1,7-4,8 МВт/см2. В этих диапазонах плотности мощности воздействующего лазерного излучения, по существу, необходимо эрозионный факел рассматривать как двухфазный поток.
Пятая глава посвящена исследованию влияния пространственно-временной формы воздействующего лазерного излучения на образование жидкокапельной фазы материала мишени. Режим свободной генерации неодимового лазера характерен тем, что плотность мощности хаотически меняется по сечению пучка в течение всего времени генерации, что может существенно облегчить процесс объемного парообразования. Представлял интерес исследовать взаимодействие с металлами гладкого импульса излучения неодимового лазера по форме близкого к прямоугольной. Такая фор-
' - 25 -
ыо импульса получалась вырезанием механическим затвором импульса длительностью 400-500 мкс из квазистационарного импульса, полученного #с помощью конфокального резонатора. Пространственно-временные отклонения интенсивности лазерного излучения от среднего значения в этих экспериментах не превышали 5%. Излучение фокусировалось на поверхность мишени в пятно диаметром 7мм, а глубина лунки после воздействия не превышала 0,3 мм, таким образом, истечение продуктов эрозии из лунки можно считать одномерным (по крайней мере на расстояши калибра). В качестве мишеней использовались пластины из цинка, олова, кадмия и свинца. Для исследования взаимодействия лазерного излучения в режиме генерации гладкого прямоугольного импульса с продуктами эрозии мишени использовался метод поперечного зондирования эрози-ошгого факела излучением вспомогательного рубинового лазера на различных расстояниях от мишени. Параметры плазмы эрозионного факела контролировались спектроскопическими методами.
В этом случае, как и при воздействии излучения иеодимового лазера в режиме свободной генерации на различные металлы поведение ковффициентов поглощешія и рассеяния объясняется наличием в лазерном факеле жидкокапельной фазы материала мишени. Причем по соотношению доли рассеянной и поглощенной компонент зондирующего излучения также можно сделать вывод, что сначала в эрозионный факел поступает мелкодисперсная жидкокапельная фаза, у которой диаметр частиц значительно меньше длины волны зондирующего излучения (Х=0,69 мкм). Эти частицы образуются за счет объемного парообразования. В процессе воздействия в зоне облучения образуется жидкая ванна и за счет гидродинамического механизма в эрозионный факел к концу воздействия поступает значительное число довольно крупных капель размером до нескольких десятых долей миллиметра.
Зондирование эрозионного факела на различном расстоянии от поверхности мишени количественно показывает, что частицы жидко-капельной фазы материала мишени в процессе движения доиспаряют-ся, уменьшая свои размеры и концентрацию.
Сравнение результатов воздействия импульса неодимового лазера в режиме свободной генерации на свинцовую мишень с воздействием импульса прямоугольной формы при одинаковой плотности мощности 2,3 МВт/см2 показывает, что диаметры частиц в обоих
случаях достаточно близки. Это связано с теплофизическими свойствами материала мишени.
Однако концентрация частиц в случае воздействия лазерным импульсом свободной генерации значительно выше, чем при воздействии гладкого импульса прямоугольной формы.
Эксперименты при различной плотности мощности излучения воздействующего импульса прямоугольной формы позволили определить пороги начала появления в эрозионном факеле мелкодисперсной жидкокапельной фазы за счет объемного парообразования. Для различных металлов они оказались следующими: цинк - 2 МВт/см2; кадмий - 1 МВт/см2; свинец - 0,9 МВт/см2; олово - 0,7 МВт/см2.
Качественная картина образования "вспышек поглощения", инициируемых частицами материала мишени, при воздействии гладкого импульса прямоугольной формы, похожа на картину при воздействии импульса свободной генерации. Порога образования "вспышек поглощения" для исследуемых металлов оказались следующими: цинк -5,4 МВт/см2; кадмий -3,5 МВт/см2; свинец -3,2 МВт/см2; олово - 3 МВт/см2.
Для более детального исследования влияния пульсаций неоди-мового лазера на характеристики эрозионного факела проведены експерименти по воздействию на металлические мишени излучения неодимового лазера в виде импульса по форме близкого к прямоугольной и в виде такого же импульса, но с ЗОЙ и 100% модуляцией "пичками". Длительность отдельного пичка состгвляла 1-3 мкс, промежуток междуними 1-6 МКС.
Эксперименты показали, что размеры частиц, образующихся за счет объемного парообразования, близки при различных режимах облучения. Все эксперименты проводились при средней плотности мощности 2,2 МВт/см2. Тот факт, что диаметры частиц слабо зависят от режима воздействия лазерного излучения, говорит о том, что образование частиц связано только -с гидродинамическими процессами, определяемыми теплофизическими характеристиками металла.
В противоположность размерам частиц их концентрация в сильной степени зависит от режима генерации неодимового лазера. Концентрация частиц уменьшается с уменьшением пульсаций воздействующего излучения. Такое поведение концентрации частиц можно объяснить тем, что при увеличении модуляции лазерного излу-
чешія происходит локальний перегрев мішенії, формирование л ьзь-пмодойствие волн в расплаве и, как следствие, образование большего количества жидких капель.
При воздействии излучения в Биде двойного импульса, состоящего из короткого (* 50 мко) первого и более длительного (*400 мкс) второго к врсмглшим промежуткам между ними 0-50 мкс дина-мика орозиошюго факела существенно отличается от воздействия одиночного импульса. В результате такого комбинированного воздействия из-за доиспарения частиц материала мишени, созданных "предимпульсом", в начале основного импульса Образуется более плотная среда по сравнению с воздействием отдельного импульса и уже с самого начала основного импульса появляется дополнительное поглощение излучения.
При воздействии серии прямоугольных импульсов происходит подготовка среды каждым предыдущим импульсом для каждого последующего, и срабатывает "накопительный" механизм.
Эксперименты с пористыми металлическими мишенями, полученными прессованием порошков из алюминия и вольфрама, позволили, о одной стороны, проверить точность измерения размеров частиц с помощью лазерного зондирования, с другой стороны, получить управляемые двухфазные потоки, состоящие из плазмы и твердых или жидких металлических частиц контролируемого состава. В втих эк-, спериментах использовался импульс излучения по форме близкий к прямоугольному длительностью 400-500 мкс с энергией до 400 Дж. В качестве мишеней использовались таблетки из алюминиевого порошка, вольфрамового и их смеси 30% W и 70 А1 по весу. Получены модельные потоки алюминиевой плазмы с контролируемым составом вольфрамовых частиц. Размеры частиц вольфрамового порошка предварительно измерялись с помощью электронного микроскопа о целью получения распределения частиц по размерам. После этого, используя соотношения:
Imax Imax
г = J- f(r)rdp/ Г r(r)dr (6)
Хт 1 n In і п
п* Imax . Imax
ff!* = J ї(гЮЛг)пг2йг/ S f(r)dr
Pa In. In Pa Imln
(7)
fa Imax Imax
(J*r= S rdOQ^dOHr-dr/ J- f(r)dr (0)
Imln Irain
были найдены: средний радиус частиц гср, эффективный размер по рассеянию rjL и по поглощению ГдГ. Они оказались следующими: гср= 0,038 мкм; гг = 0,044; г^|* = 0,046 мкм.
Эффективный размер частиц, измеренный с помощью зондирования лазерного эрозионного потока, составил геф= 0,041 мкм. Результаты измерений по двум методикам достаточно близки, что говорит о надежности измерений. Хотя измерения с помощью електронного микроскопа более детальны, но очень трудоемки и не позволяют контролировать размеры частиц в динамике. Исследования показали, что методика контроля размеров частиц в потоках с помощью лазерного зондирования достаточно надежна и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.
Как уже было сказано, объемному парообразованию в металлах при воздействии на них лазерного излучения могут способствовать различные факторы: пространственно-временная неоднородность лазерного излучения, растворенные в металле газы, различные примеси и структурные неоднородности. Были поставлены эксперименты по выявлению приоритетности этих факторов. Производилось воздействие прямоугольного импульса излучения неодиыового лазера со 100 модуляцией по амплитуде пичками микросекундной длительности, имеющими достаточно случайное пространственно-временное распределение, и импульсом, имеющем пространственно-временную неоднородность излучения не хуже 3%. В качестве мишеней использовались свинцовые пластины, полученные путем переплавки в атмосфере воздуха и в вакууме, мишени, полученные методом порошковой металлурпш из медного и молибденового порошков, и пластины из моно- и поликремния.
Проведенные эксперименты позволили сделать вывод, что для реальных металлов формирование эрозионного факела с мелкодисперсной кидкокапеЛьной фазой материала мишени за счет объемного парообразования облегчается преаде всего за счет газов, раотво-решшх в металле, и пространственно-временной неоднородности лазерного излучения. Действие этих двух факторов соизмеримо.
Следующим фактором яеляєтоя наличие в металле различных -включений и искусственных центров. При отсутствии отих трех факторов процессу объемного парообразования способствуют структурные неоднородности. И, наконец, при отсутствии всех отих факторов образование жидкокапельной фазы хотя и затруднено, однако также реализуется при увеличении плотности мощности. Это может быть как из-за неустойчивости фронта испарения, так и за счет взрыва метастабильной жидкости.
