Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами 8
1.1. Классификация методов лазерной обработки материалов 8
1.2. Теплофизические модели лазерной обработки металлических материалов.. 12
1.3. Лазерная обработка металлов и гетерогенных материалов на их основе 23
1.4. Лазерная обработка гетерогенных и композиционных материалов 31
1.5. Основные физические параметры лазерного излучения для обработки конденсированных материалов 34
Глава 2. Методы лазерной обработки, модифицирования и контроля поверхностных свойств материалов 40
2.1. Физико-технические параметры используемых технологических лазерных комплексов 40
2.1.1. Технологические лазерные комплексы с непрерывным СОг-лазером 40
2.1.2. Технологические лазерные комплексы на базе YAG:Nd - лазера 44
2.2. Модернизация системы интерфейса для газолазерной размерной обработки металлических материалов по сложному контуру 47
2.3. Оптический контроль теплофизических свойств обрабатываемых материалов 49
2.4. Основные физико-химические свойства полимерных композиционных материалов 53
2.5. Программное управления параметрами и разверткой лазерного излучения. 59
Глава 3. Физические аспекты газолазерной размерной обработки твердых композиционных материалов 64
3.1. Физическое моделирование процессов размерной лазерной обработки конденсированных гетерогенных материалов 64
3.2. Оптимизация газолазерной обработки полимерных композиционных материалов 69
3.3. Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения при с полимерными композиционными материалами 76
3.4. Физико-технические аспекты эффективной размерной обрабтки гетерогенных материалов 83
Глава 4. Воздействие концентрированного излучения на гетерогенные материалы 87
4.1. Физические процессы при формообразовании поверхностных слоев на основе гетерогенных соединений под лазерным взаимодействием 87
4.2. Природно-легированные композиционные материалы 95
4.3. Взаимодействие лазерного излучения и электронных пучков с гетерогенными материалами 102
4.3.1. Методы исследований и испытаний поверхностных слоев на металлических материалах 105
4.3.2. Электроннолучевая наплавка композиционных материалов с металлическими добавками 108
4.3.3. Лазерная наплавка композиционных материалов с добавками стандартных самофлюсующихся порошков 110
4.3.4.Анализ и обсуждение результатов лазерной наплавки гетерогенных материалов 121
4.4. Воздействие лазерного излучения на золото и цирконий содержащие минеральные ассоциации 129
Заключение 136
Литература 138
- Основные физические параметры лазерного излучения для обработки конденсированных материалов
- Модернизация системы интерфейса для газолазерной размерной обработки металлических материалов по сложному контуру
- Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения при с полимерными композиционными материалами
- Взаимодействие лазерного излучения и электронных пучков с гетерогенными материалами
Введение к работе
В последнее десятилетие в мире все очевиднее обозначилась нарастающая тенденция вытеснения композиционными и гетерогенными материалами металлов и их сплавов практически во всех областях машиностроения. Особенно активно этот процесс происходит в авиастроении и автомобилестроении, приняв в экономически развитых странах всеобъемлющий характер. Это в значительной степени обусловлено существенными преимуществами таких материалов по целому ряду эксплуатационных и функциональных свойств. Расширение сферы внедрения этих материалов, особенно в условиях развития гибких, высокоавтоматизированных производств натолкнулось на проблему их прецизионной размерной обработки и модифицирования поверхностных свойств.
Размерная обработка традиционными механическими, электроннолучевыми, плазменными и электроэрозионными методами композиционных и гетерофазных материалов требует применения режущего и штампового инструмента повышенной твердости, становится практически невозможной при резке таких материалов по сложным контурам. С учетом динамично изменяющейся конъюнктуры рынка в этой ситуации безальтернативным становится применение высококонцентрированного электромагнитного излучения для сложно профильной размерной, обработки таких материалов.
Стремительное развитие лазерной техники, включающее повышение интенсивности, улучшение модового состава, расширение диапазона рабочих частот излучения в пучке, совершенствование электронного и оптического управления пространственно-временными параметрами излучения все более позволяют использовать преимущество лазерного излучения - большая энергетическая интенсивность, высокая монохроматичность, пространственная и временная когерентности, узкая направленность и слабую расходимость.
Взаимодействие лазерного излучения с веществами, как показано в работах [1-5], сопровождается целым рядом физико-химических процессов, которые, как правило, носят комплексный характер, приводят к многофакторным структурным и физическим изменениям, существенным образом влияющим на механизмы резания и модифицирования обрабатываемых материалов. Для разработки промышленно значимой технологии обработки каждого вновь создаваемого материала с оптимальными режимами требуется установление взаимосвязи между параметрами лазерного излучения, режимами обработки, с одной стороны, и эксплуатационными и функциональными свойствами обрабатываемого материала, с другой стороны, что представляет самостоятельную научную и прикладную задачу. Все это подтверждает актуальность темы диссертационной работы.
Целью настоящей работы являются экспериментальные исследования механизмов и особенностей влияния оптических параметров лазерных пучков на физико-химические свойства, обрабатываемых конденсированных гетерогенных материалов.
Основные задачи исследования:
Изучение влияния физических параметров и режимов лазерного излучения на процессы взаимодействия лазерных пучков с веществами.
Физическое моделирование и оптимизация процессов размерной лазерной обработки конденсированных материалов.
Разработка эффективных методов и технологий высокоточной размерной обработки гетерогенных материалов по сложному контуру.
4. Исследования механизмов формирования и свойств наплавочных покрытий, создаваемых при лазерной наплавке гетерогенных материалов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
Установлены и систематизированы основные физические закономерности влияний параметров и режимов лазерного излучения на процессы резания и модифицирования поверхностных свойств гетерогенных металлических и неметаллических материалов.
По зависимостям скорости резания и энергетического вклада от мощности пучка установлен критерий оптимальности газолазерной размерной обработки композиционных материалов.
Экспериментально показано, что явления самоорганизации, возникающие при формировании поверхностных слоев под воздействием лазерного излучения, проявляются при доминирующем действии капиллярно-гравитационного механизма.
Практическая значимость работы.
Разработана эффективная технология прецизионной газолазерной сложноконтурной резки композиционных материалов.
Экспериментально установлен промышленно значимый критерий оптимальности, позволяющий осуществлять выбор высокоэффективных режимов размерной резки различных материалов.
Показано, что применение для лазерной наплавки природно-легированных композиционных материалов имеет практическое значение, получаемые при этом покрытия отличаются повышенными эксплуатационными и функциональными свойствами.
На защиту выносятся:
Физические модельные представления о процессах взаимодействия лазерного излучения с конденсированными сложными по составу и структуре соединениями.
Критерий оптимальности размерной обработки композиционных материалов, позволяющий эффективно определять режимы и параметры газолазерной сложноконтурной резки гетерогенных материалов.
3. Экспериментальное доказательство доминирующей роли капиллярно- гравитационного механизма формирования поверхностных слоев твердофазных материалов под воздействием лазерного излучения повышенной интенсивности.
Апробация работы. Основные результаты, включенные в диссертационную работу докладывались на Международных конференциях "Износостойкость машин", Брянск, 1996; "Advanced Materials&Process", Комсомольск-на Амуре, 1999; «New materials and technologies in the 21st century», Chine, Beijing, 2001; (Вторые) Самсоновские чтения, Хабаровск, 2002; ОТТОМ-4 «Оборудование и технологии термический обработки металлов и сплавов», Украина. Харьков, 2003, Международный симпозиум по совместным проектам технического сотрудничества и обмену специалистами Китай-Россия, Китай, Далянь, 2004, 4th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, Хабаровск, 2004.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 работах, описании к патенту РФ и тезисах докладов. Работа по теме диссертации проводилась в рамках ГНТП «Конверсия» в период 1994/95 гг., «Дальний Восток» в период 1995/99 гг, Программа «Нанотехнологии» РАН, грант №01.2. 00303771 ИГД ДВО РАН, 2003 г., грант РФФИ №04-02-97000, 2004.
Основные физические параметры лазерного излучения для обработки конденсированных материалов
Фазовый состав и структура материалов при лазерной обработке играют очень существенную роль. Взаимодействие ЛИ с материалами, обладающими структурным (гетерогенные) и фазовым (гетерофазные) разнообразием, существенно отличается по сравнению с гомогенным материалами, в качестве примера которых выступают металлические материалы. Так, для гомогенных материалов характерна однородность по фазе и структуре на микроскопическом или макроскопическом уровне, то есть в пределах от атомного, кристаллического уровня и до межчастичных и межзонных размеров. Исследование закономерностей и особенностей взаимодействия ЛИ с гетерогенными материалами в ряде случаев может быть основано на моделях, построенных для гомогенных материалов. На основе гетерогенных и гетерофазных материалов за счет аддитивного или синергетического сочетания отдельных полезных свойств формируются композиционные материалы [17-20]. Для исследования процессов взаимодействия ЛИ, с которыми также, частично, могут быть применимы модельные представления, построенные для металлических материалов.
На наш взгляд, именно такая концепция объясняет развиваемый в настоящей работе подход в исследовании общих физических закономерностей, имеющих место при лазерной размерной обработке и модифицировании поверхностей металлических, гетерогенных и композиционных материалов. Физическая картина взаимодействия лазерного излучения с органическими конденсированными средами изучена несравненно хуже. В отличие от конденсированных сред неорганического происхождения взаимодействие лазерного излучения с полимерными средами сопровождается сложными многоступенчатыми физическими процессами: разрушение полимерных комплексов молекул, лазерохимические реакции и явления между продуктами разрушения и газами [21].
Определяющими при взаимодействии лазерного излучения с поверхностями материалов являются коэффициенты отражения - R и поглощения - а. К примеру, поглощение лазерного излучения в материалах определяется известным законом Бугера-Ламберта: где / — плотность мощности ЛИ, z — продольная координата. В металлах кванты света поглощаются в основном электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию в тепловые колебания решетки за время 10"п-10 10с. Коэффициент поглощения в металлах является очень большим а = 10і см"1. Это позволяет считать падающее на поверхности твердого тела излучение (с интенсивностью /о) в качестве точечного источника, который размещается в слое толщиной менее одного микрона. На практике поглощательную способность повышают, покрывая обрабатываемые материалы веществами с повышенными коэффициентами поглощения на длине волны излучения, что будет обсуждено ниже.
Для поглощения свободным электроном проводимости кванта падающего света, в силу действия законов сохранения импульса и энергии, необходимо наличие третьего объекта, к примеру, дислокаций, дефектов и примесей. В результате энергия кванта света переходит к электрону, а импульс отдается одному из указанных объектов. Резкое отличие между массами электронов и этих объектов вызывает замедление роста температуры решетки. Выравнивание температур достигается преимущественно за счет электрон-фононных взаимодействий, характерное время релаксации которых очень мало и составляет rcph = 10 " с. Это обстоятельство, наряду с высокой плотностью электронного газа в металлах (1028 -1029 м"3), позволяет решать большинство практических задач в рамках классической теории теплопроводности [4,13].
К примеру, при нагреве поверхности металлов толщина скин-слоя - 6, ответственного за поглощение света, достигает 5"= 10" —10" м. При электрон-электронных столкновениях возбужденный электрон, двигаясь со скоростью Ферми Vf, за время релаксации электрон-электронных взаимодействий (тее = 10"!3 с) проходит расстояние lp = vpzee« 10 м, где vp = (E/m) =10 м/с, а Е-энергия Ферми, т — масса электрона. Фактически в металлах именно электроны ответственны за перенос энергии излучения вглубь материала. Электронная термализация материала описывается обычным законом Фурье: где Лее - электронная теплопроводность, Т — температура. После дифференцирования по времени это уравнение сводится к известному уравнению тепл опроводности.
Таким образом, в металлах на начальном этапе перенос теплоты во внутренние слои осуществляется в основном за счет электронной теплопроводности, а затем начинаются процессы теплопроводности. В процессе повышения температуры наблюдается изменение оптических и теплофизических свойств материала, тепловое расширение, а также твердофазные переходы и плавление. В ряде случаев происходит также дополнительная активизация диффузионных явлений и химических реакций на его поверхности и в приповерхностных слоях.
Модернизация системы интерфейса для газолазерной размерной обработки металлических материалов по сложному контуру
При облучении конденсированных сред нано , пикосекундиыми и более короткими импульсами ЛИ (г 10" с) взаимодействие носит ярко выраженный неравновесный характер. При облучении вещества пикосекундиыми импульсами следует учитывать, что характерное время электронно-решеточной релаксации составляет ТЭР Ю"10 с, а электронно-электронной релаксации составляет гээ Ю"15с. Фактически это означает, что за время такого импульсного воздействия решетка не успеет нагреться. В то же время электронная температура успевает отслеживать все изменения импульса ЛИ [25]. На процессы образования пикосекундной плазмы оказывают влияние поляризационный и обменный механизмы. Первый из них имеет явно электромагнитную природу и проявляется практически при любых условиях, так как ему соответствует времена релаксации 1юл I0"15 с. Существует пороговое значение энергии ультракороткого импульса, передаваемой материалу, необходимое для развития процесса его абляции (испарения). Величина порога абляции при атмосферном давлении равна 9абл= 0.2+0.5 Дж/см2, тогда как минимальная энергия ионизации составляет 7ион= 0.1 Дж/см . Порог ионизации понижается с ростом давления над поверхностью материала, что создает условия для образования приповерхностной плазмы без разрушения поверхности облучаемой мишени.
Весьма слабая поглощательная способность металлических поверхностей, особенно в ИК-области на длине волны генерации СОг-лазера, снижает эффективность их лазерной обработки. В тоже время при достаточно высокой плотности мощности (10 Вт/см ) ЛИ вблизи поверхности мишени фиксируется пробой воздуха с образованием высокотемпературной плазмы {десятки тысяч градусов К), которая становится источником электромагнитного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, более эффективно поглощаемого обрабатываемой поверхностью. Для усиления процесса приповерхностного плазмообразования в [26] предлагается использовать комбинированное воздействие лазерного и СВЧ излучений. При этом ЛИ дает оптический приповерхностный пробой на расстоянии равном Я/4 (А,-длина волны СВЧ излучения, равная 3 см), а дальнейший рост энерговклада в образовавшуюся плазму достигается за счет СВЧ излучения, что в свою очередь способствует существенному повышению эффективности лазерной обработки металлических поверхностей. Использование импульсов ЛИ наносекундной длительности позволяет исследовать кинетику процессов плавления и кристаллизации, что в работе [27] было показано на примере монокристаллического кремния. Развиваются также идеи об управлении процессами в конденсированных средах с помощью ЛИ [28].
В обзоре [29] рассмотрены вопросы эволюции кластероподобных образований, возникающих в поле ультракороткого сверхмощного ЛИ над металлическими поверхностями. Отмечается, что возбуждение такого кластера сопровождается его многократной ионизацией, генерацией рентгеновского излучения, что обусловлено взаимодействием поля ЛИ с электронной подсистемой поверхностных слоев обрабатываемых материалов. Под действием ЛИ на поверхности мишени помимо, гидродинамически разлетающейся высокотемпературной плазмы, за счет импульса отдачи возникает абляционное давление, величина которого достигает ЮОМбар. В [29-33] предлагается использовать лазерные ударные волны для изучения теплофизических и механических свойств вещества. С целью установления особенностей взаимодействия ЛИ с различными материалами при их обработке проведем систематический анализ основных результатов ранее выполненных работ. При этом общим для лазерного взаимодействия с веществами являются два основных типа воздействия: резонансное и нерезонансное, отличительные особенности которых заключаются в следующем. Резонансное воздействие проявляется при селективном взаимодействии лазерного излучения и вещества. Высокая монохроматичность лазерных пучков позволяет исследовать процессы лазерного разделения изотопов, селективное инициирование химических реакций, многофотонные процессы, осуществлять активную лазерную спектроскопию [34-36]. Наносекундные импульсы (Л=1064нм, q = 109 Вт/см2) позволяют исследовать спектральные характеристики обрабатываемых поверхностей. На этой основе строится, так называемая, лазерная импульсная спектроскопия Возбуждение ЛИ плазмы с поверхности конденсированных сред сопровождается формированием ударных волн. Эти волны усиливают интенсивность эмиссионных линий за счет дополнительного разогрева, а также вызывают штарковское смещение за счет усиления локальных электрических полей при дополнительной ионизации. С появлением источников излучения пико- и фемтосекупдной длительности процессы взаимодействия лазерного излучения с веществами приобретают характер сверхтонкого динамического исследования различных фазовых и внутриатомных переходов, позволяют определять времена релаксации в молекулярных и атомных соединениях, квазичастичных ансамблях. На основе получаемых при этом опытных данных могут решаться задачи кинетики, разрабатываться технологические процессы синтеза новых материалов. Нерезонансное воздействие характерно для систем с квазинепрерывным спектром энергетических состояний электронов, как, например, у металлов и гетерофазных материалов. Поглощение лазерного излучения в них характеризуется непрерывным преобразованием энергии, при котором электронная подсистема последовательно переходит в возбуждение, а затем релаксирует в основное состояние через электрон-фонониые, фонон-фононпыс взаимодействия в материалах, сопровождаемых тепловыми процессами (нагрев, плавление и испарение). Именно нерезонансное воздействие на вещества получило широкое практическое применение при размерной резке, термообработке и сварке материалов. К этому же механизму взаимодействия лазерного излучения и вещества относятся и явления, связанные с нелинейностью отклика вещества при достаточно высокой интенсивности воздействия. Проявляется это в образовании па поверхности твердых тел периодических поверхностных структур, поверхностных акустических волн, капиллярных волн в расплавах и жидких металлах, самофокусировке лазерных пучков. В работе [37] были экспериментально изучены закономерности формирования волнообразного рельефа на стальных поверхностях с плазменными покрытиями из Ti02, Zr02, NiCrFe - Сг3С2 и без них под действием непрерывного и импульсного ЛИ. Обсуждены возможные механизмы формирования такого рельефа, предположено, что они обусловлены преимущественно процессами кристаллизации в тонких поверхностных слоях.
В работах [38-39] исследовано явление капиллярной термоконцентрационной неустойчивости, наблюдаемое в гетерогенных и гетерофазных системах при взаимодействии ЛИ с обрабатываемыми материалами. Разработан метод приближенного решения обратной тепловой задачи, позволяющий аналитически рассчитывать оптимальные режимы лазерной закалки, которые описываются следующими соотношениями между глубиной закалки (z) и требуемым радиусом лазерного пучка (R):
Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения при с полимерными композиционными материалами
Использование излучения С02- лазера позволило авторам [54-56] осуществлять более эффективное, чем диффузионными методами, борирование поверхностей образцов технических сталей марки 40 и У8. Для наплавки применен аморфный бор с санталом и клеем. Борирование проводилось при следующих режимах: непрерывное излучение С02- лазера мощностью порядка 1 кВт, скорость движения луча - 2- 5 мм/с, при толщине обмазки 0.15- 0.3 мм, диаметр пятна 3 мм. Установлено, что оптимальными являются условия, при которых на поверхностях образуются гетерогенные квазиэвтектические структуры, обладающие невысокой хрупкостью. Эффективно применение лазерного борирования поверхностей титановых сплавов ВТ6 и ВТ 23 с помощью этого же излучения в среде аргона. В [56], в этих условиях, зафиксировано образование на поверхности ТІВ2Л1В и ТігВ - боридных фаз титана, отличающихся повышенной тугоплавкостью и твердостью. Величина микротвердости возрастала до 9 ГПа, что выше ее исходной величины для основы в 4 5 раз.
В [57] проведено лазерное легирование поверхности стали Р18 титаном. Применение ультразвукового поля повышало эффективность образования карбидной фазыiC Использовалось импульсное ЛИ YAG; Nd3+. Энергия в импульсе длительностью 5 мс составляла 10 Дж. ЛИ фокусировалось в пятно диаметром 1.0- 1.5 мм. Коэффициент перекрытия выбирался менее 0.5, площадь оплавленных участков достигала 40- 50 мм2. Частота ультразвуковых колебаний перпендикулярных к поверхности оплавления составляла 22 кГц, амплитуда колебаний-5 -ь 10 мкм, а мощность 1 кВт. В [58] лазерное легирование стали У10 проводилось при этих же условиях, но с использованием композиционных порошков усложненного состава -Cr-Ni-l C-Si. В обоих случаях отмечается возрастание эксплуатационных свойств материалов с наплавленными покрытиями.
Процесс лазерного термоупрочнения относится к одному из эффективных методов упрочнения поверхности металлов и сплавов, что обусловливается в значительной степени возможностями достижения высоких скоростей изменения температуры (1010К/с), свидетельствующих о неравновесном характере процесса. С физической точки зрения процесс упрочнения сводится к получению структур, затрудняющих процессы пластического деформирования, то есть к созданию препятствий для распространения дислокаций. Динамические процессы нагрева титана, железа и железа с титановым покрытием исследованы методами оптической пирометрии и численных методов анализа [59]. Для обработки использовано лазерная установка ГООС-1001. Установлено зависимость процесса нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностей от их теплофизических параметров. Показано, что покрытие изменяет ход температурной зависимости при изменении соотношения температуропроводности подложки и покрытия. В ряде случаев, для размерной контурной обработке, маркировке и гравировке на поверхностях различных материалов большое значение имеет достижение чисто испарительного режима, исследованиям которого посвящена работа [60], в которой установлено, что для металлов чисто испарительный режим реализуется, начиная с усредненной для разных однотипных материалов мощности импульсного ЛИ 2х105Вт, с плотностью мощности 3.2х1010 Вт/см2, когда глубина проникновения достигает 3x10" см.
В работе [61] специально изготовленные образцы конструкционной стали с содержанием углерода до 0.5%веса с нанесенным на поверхность поглощающим покрытием из А12Оз (толщиной 15 мкм) обрабатывались непрерывным излучением СО?-лазера, типа «Лантан-ЗМ» мощностью 1 кВт. Скорость перемещения луча варьировалась в пределах 0.01-Ю. 167 м/с. ЛИ фокусировалось в пятно диаметром 0.2-=-2.0 мм, что соответствовало плотности мощности 3.2хЮ8-н3.2х1010Вт/м2. В зону обработки для защиты от окисления подавался гелий. Исследовались процессы кристаллизации расплавов, возникающих в зоне ЛИ. Исследования поперечных шлифов зон переплава позволили установить зависимость скорости кристаллизации [61]: Vhkt = Vbcos Bfcos p, (1.16) где Уш скорость кристаллизации вдоль кристаллографической ориентации, обозначаемой стандартными индексами Миллера; Vb- скорость движения луча, угол 9- соответствует углу между направлением движения луча и направлением роста кристаллов, (З-угол между направлением роста дендрида и нормалью к поверхности раздела фаз. Проведен также модельный расчет теплового поля и размеров структуры в зоне ЛИ, имеющий практическое значение при разработке технологий лазерной обработки.
В работах[62,63] исследовалось влияние формы импульса ЛИ на параметры лазерной обработки. Так в [62] исследовано изменение формы импульсов ЛИ в зависимости от тока лампы накачки. Исследования влияния формы и длительности лазерного импульса на качество резки конструкционных сплавов ОГ-4 и стали Ст.З показало, что наибольшая производительность достигается, когда максимум мощности ЛИ совпадает с концом импульса. При этом, несмотря на переход к нестационарному режиму резания, становятся меньше шероховатость, и клиновидность реза за счет более эффективного выноса из канала расплава. Для эффективной резки сплава Д16Т, имеющего высокий коэффициент отражения (0.9 на длине волны 1.06 мкм) форма импульса тока должны иметь выброс вначале, что обеспечивает плотность мощности ЛИ до 4-Ю Вт/см . В этих условиях происходит ускоренный рост температуры поверхности, ее расплав и изменение поглощательной способности за счет активного окисления.
Выбор направления поляризации ЛИ увеличивает эффективность размерной обработки и способствует оптимизации канала реза, как это показано в [64]. Для исследования было выбрано линейно поляризованное импульсное ЛИ YAG: Nd3+ -лазера. Длительность составляла 4 мс, максимальная энергия в импульсе \ 0 Дж. Установлено, что при совпадении плоскости поляризации ЛИ с плоскостью реза поглощательная способность возрастает. Аналогичному сценарию соответствует взаимосвязь между направлением поляризации ЛИ с плоскостью реза и его профилем. При их параллельной ориентации формировался канал правильной формы, тогда как в другой геометрии канал отклонялся в направлении перпендикулярном оси реза на угол до 30. В последнее время все большое внимание уделяется технологических аспектам применения мощных эксимерных лазеров (ХеС1- лазер) ультрафиолетового излучения, исследованиям его применения для обработки материалов. Так в [65] сообщается о повышении микротвердости и износостойкости при таком воздействии. Возрастание этих параметров регистрировалось вплоть до глубины 300 мкм. Исследовалась зависимость от плотности энергии, а не, как обычно, от плотности мощности. Вопросы влияния физико-химических свойств обрабатываемых материалов при их лазерном профилировании рассмотрены в обзорной работе [66].
Взаимодействие лазерного излучения и электронных пучков с гетерогенными материалами
Если в результате сложения полей результирующая интенсивность электромагнитного излучения / в точке Q в зависимости от разности фаз может принимать любые значения от (V/i-V/2)2 до (V/I+"N//2)2, то источники когерентны. В случае временной когерентности /ког = сгког,, где с - скорость спета, "ког - время когерентности, в течении которого разность фаз колебаний источников не успевает измениться на величину того же порядка, что и тг, гког, связано с шириной спектра излучения ДЛ (степенью монохроматичности) соотношением W. Д-Я И- Для лазерного излучения тког. = 10" -І-Ю-1 с, а для обычных источников света гког = 10" с. Свойства когерентности излучения обычно описывают функцией когерентности Г , которая представляет собой среднее значение по времени от произведения двух компонентов электромагнитного поля в - соответственно амплитуда и фаза колебания; (У-средняя частота. Ф)нкция когерентности определяет степень корреляции колебаний в разных точках поля в одно и тоже время в зависимости от времени. Наличие интерференционной картины в точке Р даёт информацию о корреляции колебаний в точках Л и Р2 в одно и тоже время(т= t2 - г і = 0). Тогда когерентность называют пространственной, она характеризуется функцией Т\Г],г2,0). В то же время корреляцию колебаний в одной точке Л при различных временах г можно называть временной, она характеризуется функцией ДО, 0, г).
Пространственная когерентность обусловливает высокую направленность излучения и фокусировку на площадь малых размеров. Направленность излучения характеризуют телесным углом, охватывающим основную часть излучаемой энергии. Так как телесный угол представляет собой конус, то в качестве параметра излучения выбирают плоский угол расхождения потока (угол расходимости). Тогда распределение амплитуды и фазы колебаний однородно в поперечном сечении потока излучения, а его расходимость, ограниченная дифракцией, соответствует углу (по уровню мощности): fyj = 1.22A/D, где D-диаметр потока излучения. Проведем оценки для рубинового лазера. Длина волны ЛИ Я = 0.69мкм и при. Для газового лазера на С02 при том же потоке излучения и /L= 10.6 мкм уже составляет 3 ,5 = I.21-10"3 рад (%3 20). В действительности расходимость лазерного излучения значительно больше: от единиц до нескольких десятков угловых минут. Значительное увеличение расходимости излучения лазерных источников по сравнению с расчётным значениями обусловливается неоднородностью распределения амплитуды и фазы поля излучения в пределах излучающей поверхности, многомодовым характером генерации излучения(точнее - наличием колебаний поперечных типов), наличием неоднородностей в активной среде и несовершенством элементов резонатора. К примеру, излучающая поверхность рубинового кристалла не является однородной, а представляет собой сложную структуру в виде отдельных светящихся пятен, размер которых достигает примерно 100 мкм, а размер образуемых ими комплексов - примерно 850 мкм [4].
Уменьшения расходимости излучения можно добиться прежде всего селекцией колебаний высших поперечных типов. Наименьший угол расходимости имеют одномодовые лазеры, генерирующие основной тип колебаний TEMW, которой соответствует гауссово распределение интенсивности в пучке. Одномодовый режим генерации наиболее легко реализуется в газовых лазерах. Получение одномодового режима для твердотельных лазеров - более сложная задача. Лазерное вещество в них обладает большим усилением и достаточно трудно создать значительные энергетические потери для колебаний высших поперечных типов, не ухудшая энергетических характеристик потока излучения. До недавнего времени считалось, что когерентность излучения не важна для термической лазерной технологии. В настоящее время эта точка зрения коренным образом меняется Во-первых, взаимодействие когерентного лазерного излучения с поверхностью может сопровождаться образованием различных поверхностных электромагнитных волн, которые уже сейчас можно использовать для создания периодических поверхностных структур [37]. Во-вторых, в последнее время, среди технологических лазеров всё более широкое распространение получают, так называемые, многолучевые или многоканальные лазерные системы. Они состоят из большого набор ( 10... 10 ) пространственно разнесённых лазеров, параллельные пучки которых собираются на обрабатываемом изделии в одно пятно с помощью фокусирующей системы [10,14,16,38]. Как следует из анализа, при сложении двух гармонических колебаний, в том числе и электромагнитных, с одинаковой частотой и разными амплитудами Е\ и Е2 и фазами щ и образуются гармонические колебания той же частоты с амплитудой: Поэтому, если излучение из различных и независимо работающих источников имеет случайный сдвиг фаз, суммарная интенсивность в пятне(/ 2) будет равна сумме интенсивности 1\ каждого из них то есть IT, = YJi или в случае равенства 1\ = 1:1т, — NJ, где N„ - количество отдельных лазеров в системе. Для когерентного излучения на выходе всех лазеров относительный сдвиг фазы равен нулю. При сведении всех таких пучков вместе (в соответствии с уравнением для Г) должны складываться амплитуды электрических полей каждого луча: Er, = Xj = ИЛЕ и, следовательно, IT, = Nn I. Таким образом, когерентность излучения многолучевых лазерных систем (используемых, в частности, в работах по УТС на основе лазерных источников) существенно повышает результирующую интенсивность в зоне фокусировки, что расширяет технологические возможности лазерных систем [10]. Важным физическим параметром в работе лазеров является поляризация ЛИ. В большинстве случаев ЛИ оказывается плоскополяризованным. Поляризация лазерного излучения характеризует ориентацию вектора электрического поля в электромагнитной волне. Рождённый в результате спонтанного перехода квант может иметь любое направление поляризации, а квант, появившийся в результате процессов вынужденных индуцированных переходов, будет иметь ту же поляризацию, что и квант, вызвавший этот процесс. Поэтому, для получения линейно поляризованного излучения необходимо вводить в резонатор лазера некоторый селектирующий элемент, позволяющий обеспечить различный уровень внутрирезонаторных потерь для электромагнитных колебаний с различными поляризациями. В случае неполяризовагных лазерных пучков выделить заданное направление поляризации можно с помощью различных поляризаторов — устройств, обладающих различным пропусканием излучения с различной поляризацией [4]. Поляризация лазерного пучка может существенно влиять на эффективность технологических процессов, в которых отражение излучения играет важную роль, как это показано [64].
