Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Постановка задачи исследований 7
1.1. История вопроса и краткий обзор литературы 7
1.2. Задачи и проблемы лазерного пробоя 14
1.3. Задачи настоящей работы 18
Глава II. Гидродинаыика взрыва в жидкости при лазерном пробое 20
2.Х. Лазерный пробой в воде 20
2.2. Измерение давления по скорости свободной поверхности Пробой в капле . 40
2.3. Энергетические характеристики пробоя в различных жидкостях 46
2.4. Обсуждение результатов главы, выводы .Основные результаты главы 71
Глава III. Исследования начальной стадии пробоя 75
3.1. Исследования кинетики пробоя методами самодиагностики 75
3.2. Теневые и интерферометрические исследования пробоя 89
3.3. Влияние вынужденного рассеяния на пространственную структуру оптического пробоя 100
3.4. Исследование порогов пробоя в зависимости от температуры и давления в жидкости 136
3.5. Кинетика лазерного пробоя (физическая модель) 46
Основные результаты главы 154
Глава ІV. Лазерный пробой как метод исследования подводного взрыва и кавитации
4.1. Энергетические особенности коллапсирущего пузырька от лазерного пробоя в вязких жидкостях 160
4.2. Сонолюминесценция коллапсирующих пузырьков 179
4.3. Пробой в окрестности раздела двух сред 183
4.4. Сравнение подводного взрыва от лазерного пробоя с взрывами химических ВВ 193
4.5. Рекомендации по вопросу моделирования взрывов в жидкости с помощью лазерного пробоя 200
Основные результаты главы 202
Основные результаты работы 203
Литература.
- Задачи и проблемы лазерного пробоя
- Энергетические характеристики пробоя в различных жидкостях
- Влияние вынужденного рассеяния на пространственную структуру оптического пробоя
- Сонолюминесценция коллапсирующих пузырьков
Введение к работе
Работа посвящена исследованиям физических и гидродинамических закономерностей процессов, происходящих при лазерном пробое жидкости.
Диссертация является обобщающим результатом систематических экспериментальных исследований лазерного пробоя-взрыва в жидкостях, проводившихся автором с 1967 г. За прошедший период актуальность работ, связанных с исследованиями лазерного пробоя в конденсированных средах, возросла. Это связано с разработками мощных лазеров и их приложений в науке и технике. В гл. I дан краткий анализ состояния вопросов и проблем, связанных с исследованиями лазерного пробоя в конденсированных средах на данный момент.
Интерес к лазерному пробою в жидкостях проявляется специалистами из разных областей физики, механики, акустики, медицины, биологии. Однако в настоящее время не существует достаточно полных представлений о процессах, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с жидкостью. В работе автор стремился как можно полнее выявить качественную сторону явлений, происходящих при лазерном пробое-взрыве, в сочетании с исследованиями количественных закономерностей взрывных процессов, возникающих при лазерном пробое в различных жидкостях, с целью получения подробных знаний о новом физическом явлении -"светогидравличееком эффекте" [і] и для рассмотрения возможностей использования этого явления в различных областях, в частности, в исследованиях подводных взрывов и кавитации.
В связи с поставленной задачей были проведены исследования гидродинамических процессов, происходящих при фокусировке излучения рубинового лазера в различные жидкости, с длительностью излучения 10 * 70 не, с энергией излучения до I Дк. Исследования подводного взрыва при лазерном пробое позволили выявить закономерности распределения энергии излучения при пробе, определить долю энергии излучения, переходящую в механическую энергию, (Гл. П).
С помощью методов самодиагностики, интерферометрии и спектральных исследований области пробоя удалось выявить ряд особенностей в формировании пространственной структуры пробоя, причины увеличения области пробоя вдоль оси излучения. Построена физическая модель кинетики развития процессов при лазерном пробое.(Гл. Ш).
На примерах исследований взрыва (пробоя), коллапса пузырьков и сонолюминесценции от лазерного пробоя показано, что рассмотренные способы создания взрывов и кавитационных процессов являются удобными методиками в исследованиях задач физики взрыва и кавитации. На основании развитой физической модели кинетики пробоя даны принципиальные рекомендации по способам получения пробоев-взрывов со сферической и цилиндрической геометрией. (Гл. ІУ).
Основой диссертации являются материалы опубликованных работ [28,37,41,54-56,60,66,72,107,117] . Материалы диссертации докладывались: на 4-й (Киев, 1968), 6-й (Минск, 1972), 7-й (Тбилиси, 1976) Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике; на 4-м (Ленинград, 1978) и 5-ом (Ленинград, 1981) Всесоюзных совещаниях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом; на Симпозиуме по физике акустогидродинамических явлений (Сухуми, 1975); на Школе-семинаре по физике взрыва и применению взрыва в эксперименте (Новосибирск, 1977);на ІУ Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры"(Новосибирск, 1963); на семинарах: в лаборатории колебаний ФИАН им. П.И.Лебедева, в Отделе волновых процессов ИОФАН, в Институте тепло-массо-обмена им. А.В. Лыкова БССР, в МГУ на кафедре нелинейной оптики, в Институте ядерной физики СО АН, в Институте теоретической и прикладной механики СО АН, в Институте автоматики и электрометрии СО АН, в Институте теплофизики СО АН, в Институте гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО АН.
Материалы из опубликованных работ использованы в обзорах [32,33,35] .
Задачи и проблемы лазерного пробоя
Исследования лазерного пробоя и сопутствующих ему гидро динамических эффектов, кавитации и акустического излучения интересны не только с точки зрения понимания физики взаимодействия лазерного излучения с жидкостями. Самостоятельное.рассмотрение эффектов кавитации, ударных и акустических волн от лазерного пробоя является новым методическим направлением в изучении проблем кавитации и подводного взрыва. Этот вопрос рассматривается, например, в работах [35-4і]. Лазер превратился в удобный инструмент исследования многих гидродинамических задач Сам по себе лазерный пробой в жидкости является микровзрывом [28,42], который удобно изучать в лабораторных условиях, привлекая самые современные методы регистрации и диагностики параметров взрыва.
Исследование гидродинамических процессов при лазерном пробое в жидкости дает информацию об энерговыделении в области пробоя, что является важным в изучении высокотемпературного лазерного нагрева вещества. Эффективность преобразования энергии излучения во внутреннюю энергию среда, плазму - один из важных параметров взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Важными являются вопросы, связанные с исследованиями подводного взрыва, кавитации, акустики в новых методических постановках. Лазер в этих случаях может использоваться не только как источник генерации взрыва, кавитации с акустическим излучением, но и как средство для диагностики с помощью голографии необходимых гидродинамических параметров, таких как скорость, давление, температура.
Совместное развитие методов лазерного инициирования гидродинамических процессов и лазерной диагностики этих процессов могут дать существенно качественный скачок экспериментального и теоретического характера в физике взрыва, кавитации, акустике. Сочетание исследований физики пробоя и кавитации с применением методов диагностики может принести неоценимую пользу в этих смежных областях, развитию новых направлений в физике -оптотермодинамики, оптогидродинамики.
Для более четкого анализа проблем, связанных с взаимодействием лазерного излучения с конденсированными средами, перечислим модели механизмов, которые отмечались в периодической литературе и которые интересны в рамках данной работы с точки зрения понимания физики пробоя: I. лавинная ионизация, 2. многофотонное поглощение, 3. тепловые механизмы: а) испарительный, б) тепловой взрыв, тепловой пробой, в) оптотермохи-мический, 4. фотохимический, 5. стрикционный, 6. механизмы, обусловленные вынужденным рассеянием Мандельштамма-Бриллюэна (БРМБ) и вынужденным комбинационным рассеянием (ВКР).
Из перечисленных моделей наиболее широко исследовались, преимущественно теоретически, механизмы лавинной ионизации и многофотонного поглощения [15»16,20,21J . Но как отмечалось в 1.1, эти модели не имеют достаточно удовлетворительного согласия с результатами экспериментальных исследований по порогам пробоя реальных диэлектриков. Тепловые механизмы дают наиболее удовлетворительные совпадения результатов теоретических и экспериментальных исследований по параметрам порогов оптического пробоя прозрачных диэлектриков [23,27] .
Энергетические характеристики пробоя в различных жидкостях
В данном параграфе представлены результаты исследований энерговыделения лазерного излучения и гидродинамических особенностей при лазерном пробое жидкостей с различными физическими свойствами.
Для определения эффективности преобразования энергии излучения в механическую рассмотрим распределение энергии при подводном взрыве. Пробой, вызванный фокусировкой моноимпульсного излучения лазера в жидкость, можно рассматривать как подводный взрыв [28,35,56] . При подводном взрыве для момента времени t = V2 (Тх - период первой пульсации пузыря) энергия источника взрыва Qo , в основном, распределяется на энер В рассматриваемом случае лазерного пробоя в жидкости энергия источника взрыва неизвестна, поэтому энергию взрыва Qo , без учета излучительной энергии плазмы, можно выразить через исходную энергию лазера Q в виде: Qo-koQ (L + к + ijQ (2.5) где 4.0 - коэффициент, характеризующий долю энергии излучения, переданную жидкости, полный светогидродинамический к.п.д, Y= /О светогидродинамический коэффициент, характеризующий долю энергии волны сжатия на расстоянии % (светоакусти-ческий кпд), П - JQ- коэффициент, характеризующий энергию жидкости при первой пульсации пузыря. =- VQ- коэффициент, характеризующий диссипацию энергии в ударной волне.
Количественными параметрами, которые можно получить из экспериментов для определения энергии взрыва, являются профиль ударной волны Р (t ) на расстоянии t и максимальный размер каверны первой пульсации &0 . С помощью измеренных экспериментально Р (t ), и R0 можно рассчитать соответственно QZi Qft и hxy # по формулам [59] : о р0С0 I (2.6) где Pit}- давление в ударной волне, х - расстояние от центра пробоя до точки измерения давления, р0 - плотность жидкости, с„- скорость звука, R0- максимальный размер каверны, Р0 -гидростатическое давление.
Схема эксперимента представлена на рис. 2.27. Луч рубинового лазера (I) фокусировался в кювету с жидкостью (2). Энергия излучения измерялась калориметром (3) типа ИМО-2 с точностью 17 10$ путем отведения части излучения делительной пластинкой. Длительность и форма импульса контролировалась коаксиальным фотоэлементом ФЭК-15 (4) на осциллографе C-I-1I (5). Варьирование энергии излучения, входящей в кювету, осуществлялось нейтральными фильтрами (б) и плавным аттенюатором (7). Импульсы давления регистрировались на расстоянии і = 1,5 см от центра пробоя с помощью датчика (8) и катодного повторителя (9) на осциллографе 0К-І7 (10) по методике, описанной в 2.2. Синхронизация запуска 0К-І7 осуществлялась с помощью ФЭУ-22 (II). Динамика пульсаций полости фотографировалась теневым методом камерой СШР. Параллельно осуществлялся контроль периодов пульсации каверны с помощью пьезодатчика (12) на осциллографе С-І-37 (13).
Прошедшее за кювету излучение измерялось с помощью калориметра ШО-2 и коаксиальных фотоэлементов типа ФЭК-15, ФЭК-14.
В экспериментах использовались две просветленные линзы, составляющие объектив с фокусным расстоянием 2 см (с учетом контактов второй линзы с жидкостью). Соосность объектива с входящим лазерным излучением выставлялась с помощью гелий-неонового лазера, луч которого проходил через рубин.
Влияние вынужденного рассеяния на пространственную структуру оптического пробоя
Известно, что оптический пробой в конденсированных средах близок к сферическому микровзрыву для пороговых мощностей излучения; при дальнейшем увеличении мощности излучения над порогом размер области пробоя увеличивается вдоль оси излучения [56,69.]. Развитие нитевидных пробоев в конденсированных средах связывают с эффектами самофокусировки лазерного излучения ІІ7]. Однако эксперименты показывают, что нитевидные разрушения в твердых телах [69,70] и нитевидные структурные изменения в жидкостях могут происходить не только за счет самофокусировки лазерного излучения. В работе _70j было показано, что нитевидные разрушения происходят в результате воздействия на среду излучения ВРМБ из фокальной области цилиндрической линзы. В этом случае в каустике цилиндрической линзы обеспечивалось достаточное усиление излучения ВРМБ за счет поперечной длины фокуса, и мощности ВРМБ было достаточно для разрушения среды в поперечном направлении. Для случая же сферических линз, когда, нити наблюдаются вдоль оси излучения, объяснения причин структурных изменений в конденсированных средах становятся не однозначными из-за возможности проявления эффекта самофокусировки лазерного излучения.
С целью разделения эффектов самофокусировки лазерного излучения и эффектов взаимодействия излучения ВРМБ и ВКР с жидкостью были поставлены эксперименты, схема которых представлена на рис. 3.15,
Излучение рубинового лазера (I) фокусировалось в кювету (2) линзой (3) с фокусным расстоянием F = 2 5 см. На пути излучения устанавливалась диафрагма (4) с круглой или квадратной маской (5) в центре диафрагмы, которые формировали соответствующее распределение излучения, образец которого представлен на рис. 3.15а. В тени квадратной маски (5) перед линзой устанавливалась призма (6), которая осуществляла вывод излучения ВРМБ и ВКР на спектрограф ИСЇЇ-5І, интерферометр Фабри-Перо, на калориметр типа ИМО-2 или на фотоэлементы типа ФЭК-14, ФЭК-15 (7). Контроль излучения за кюветой осуществлялся такими же приборами (7) с применением ирисовой диафрагмы (10).
Контроль энергии лазерного излучения осуществлялся через делительную пластинку (8) с помощью прибора ИМО-2 (9). Длительность лазерного и рассеянного излучений контролировалась на осциллографах С-7-І0Б, C-8-I2.
Рис. 3.15. Схема постановки экспериментов для исследования аксиальной генерации ВРМБ и ВКР из фокальной области с образцами распределения излучения ВРМБ в воде в соответствующих местах.
Регистрация импульсов лазерного и рассеянного излучений осуществлялись на одном луче осциллографа. Импульсы вынужденного рассеяния задерживались на 150 или на 70 не с помощью кабельных линий.
Эксперименты проводились с водой, бензолом, нитробензолом, ацетоном совместно с фотосъемкой тенеграмм и интерферо-грамм фокальной области по методике, описанной в 3.2. Результаты экспериментов
Исследования показали наличие мощного аксиального излучения из фокальной области. Спектральный состав излучения соответствует стоксовым компонентам ВРМБ и стоксовым и антистоксовым компонентам ВКР. В таблицах 3.2 представлены экспериментальные значения стоксовых компонент ВІМБ. В таблицах 3.3 представлены экспериментальные (х ) и расчетные значения стоксовых (с ), и антистоксовых ( ас ) компонент ВКР бензола.
На рис. 3.16 представлен спектр аксиального излучения ВРМБ воды, снятый для случая регистрации аксиального излучения через призму 6( рис. ЗІ15), которое соответствует рассеянию на 180 , называемое рассеянием "назад" или генерацией ВРМБ-назад.
Примечание; в дальнейшем для краткости сохраним эту терминологию, т.е. излучение, регистрируемое из кюветы через призму (6), будем называть аксиальным излучением назад, а излучение, регистрируемое за кюветой, как излучение, распространяющееся "вперед".
Сонолюминесценция коллапсирующих пузырьков
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о существенном влиянии на кинетику и пространственную структуру лазерного пробоя в жидкости излучения ВРМБ и ВКР.
Из тенеграмм и интерферограмм следует, что "нити" в виде структурных изменений с увеличенным показателем преломления [бб] наблюдаются в бензоле и нитробензоле, но отсутствуют в воде (рис. 3.22 г). Интерферометрическая киносъемка процессов, происходящих при взаимодействии излучения с бензолом, показала, что нити диаметром do= 10 + 160 мкм образуются за время лазерного импульса ( Т = 8 20 не), а рассасываются до лп=0 не менее, чем за 0,12 с. Эти факты свидетельствуют о нетепловом механизме образования нитей, так как в бензоле ( р0= = 0,7 - с= 1,7 г град," рс= 0,00138 - ) нагретая см 3, . см. град нить радиусом 7„= 10 + 80 мкм релаксировала бы за время ti 2 X 4 10 3-Ю"" сек. Скорее всего, наблюдаемые нити и области с лп 0 есть результат фотохимического превращения и оптического пиролиза бензола в поле излучения ВКР и ВРМБ. Край полос поглощения у бензола начинается с А = о о = II380 А, со стороны ЙК диапазона и с Я = 3250 А со стороны У$ диапазона. Можно предполагать (см. табл. 3.3), что за счет каскадного [71] развития процесса ВКР-компоненты достигают полос поглощения и тем самым инициируется начальная стадия фотохимического процесса. Последующий процесс может раз виться уже за счет поглощения лазерного, ВРМБ и предшествующих компонент ВКР на затравочных маложивущих изомерах или продуктах фотохимического разложения бензола, т.е. дальнейший процесс взаимодействия излучения со средой может идти по механизмам оптотермохимических процессов [44, 73, 74 ].
Делались попытки определить химический состав облученного бензола и гексафторбензола ( F6C6 ) после 200 300 пробоев в кювете объемом 100 мл. Исследования проводились на ИК-спектрометре К-20 (Карл-Цейс), на спектрофотометре " Specord " (Карл-Цейс), на спектрометре "Обь-2", на спектрометре комбинационного рассеяния PH-I ("Сос/егу"), на спектрометре ЯМР (Н-60 МГц), на масспектрометре М -902. Ни на одном из перечисленных приборов не были обнаружены ни изомеры, ни продукты разложения бензола и фторбензола. Однако, после простой фильтрации "облученного" бензола через аэрозольные фильтры аксиальное излучение ВКР наблюдается вновь. Этот факт свидетельствует о том, что в бензоле нарабатываются продукты пиролиза [73, 74J (свободный углерод, сажа), концентрация которых может быть весьма незначительной (по крайней мере менее 2 10 г/см3 [74J. Однако, имеющейся концентрации продуктов пиролиза оказывается достаточно для срыва генерации аксиального ВКР в бензоле. Пробои же, очевидно, происходят на более крупных дефектах жидкости (ла Д), которые могут представлять собой грязь, пузырьки, наработанные конгломераты продуктов пиролиза. В пользу последнего говорит факт увеличения числа пробоев вдоль оси излучения с увеличением числа выстрелов в бензоле (рис. 3.22 а,б) и нитробензоле. Об этом же свидетельствует факт срыва аксиальной генерации ВКР и ВРМБ с увеличением числа выстрелов.
Важным пунктом в понимании механизмов, происходящих в фокальной области, является вопрос о генерации ВРМБ и ВКР в фокусе. Описание механизма генерации ВРМБ и ВКР в фокальной области является отдельной теоретической задачей и выходит за рамки данной работы. Однако на основании анализа теоретических и экспериментальных работ по проблемам ВРМБ и ВКР [12, 75,79], обращения волновых фронтов (ОКБ) для ВРМБ и ВКР [75, 80-85], лазеров на ВРМБ и ВКР [87-89], лазеров с распределенной обратной связью (РОС - лазеры [79, 91-94] , результатов работ [95-97J и результатов данных экспериментов можно качественно построить модель процесса развития аксиальной генерации ВРМБ из фокальной области. Для этого воспользуемся результатами отмеченных теоретических работ.
Теория нестационарной генерации ВРМБ и ВКР без внешних зеркал на данный момент не развита, поэтому для качественного описания генерации ВРМБ воспользуемся стационарной теорией ВРМБ и ВКР - лазеров [76,87,89] и теоретическими разработками для РОС-лазеров L79,91-94] и для генерации ВРМБ при неустойчивости ОВФ [85,86]. В теории ВРМБ-лазеров используется стационарный режим взаимодействия бегущих навстречу плоских монохроматических волн в активной среде, описываемых уравнениями [87]
