Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие современной науки и техники требует разработки новых методов, позволяющих визуализировать и исследовать в одном эксперименте штохопов-торяюищеся фазовые процессы с характерными временами развития от наносекунд до миллисекунд. Следовательно, развитие вышеуказанных методов и создание устройств, позволяющих их реализовать, является актуальной задачей.
Разработка подобных методик ведется с 60-х годов. Однако, существующие до сих пор голографические способы позволяют подробно изучать лишь очень "быстрые" фазовые обьекты ( с временами развития до сотен наносекунд ) с простой временной формой, которая определяется временным разрешением используемых методик, равным длительности импульса зондирующего излучения. Подробные же исследования относительно более "медленных" фазовых процессов ( с временами развития от микросекунд до миллисекунд ) представляются крайне проблематичными из-за малого числа регистрируемых голограмм.
Скоростная голографическая киносъемка позволяет подробно, а значит с высокой достоверностью, изучить в ходе одного эксперимента динамику развития таких мультимикросекундных фазовых процессов с временным разрешением не хуже 0.8 мкс.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена на кафедре прикладной оптики Гродненского государственного университета им. Я. Купалы в координации с республиканской программой "Лазер - 2" и другими госбюджетными темами кафедры, а также региональной программой "Контроль".
Цель и задачи исследования.Целью работы является разработка и применение голографического способа исследования динамики развития импульсных фазовых процессов с характерными временами от микросекунд до миллисекунд в одном эксперименте с временным разрешением не хуже 0, 8 мкс.
Основные задачи работы: 1. Разработка способа, создание экспериментальной установки и методического обеспечения скоростной голографической
киносъемки быстропротекающих фазовых процессов.
-
Создание экспериментального стенда и изучение динамики изменения параметров эрозионной лазерной плазмы.
-
Исследование с помощью разработанного способа динамики роста кратера и изменения плотности неупруго деформированного прозрачного диэлектрика при действии на его поверхность излучения длинного лазерного импульса с хаотической пичковой структурой.
-
Изучение характерных особенностей развития оптических неоднородностей в кювете с раствором активной среды мощного лазера на красителе, возникающих как в процессе, так и после светового импульса накачки коаксиальной лампы.
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан способ скоростной голографической киносъемки, позволяющий исследовать временной ход быстропротекающих фазовых процессов в любых средах в единичном эксперименте с. временным разрешением не хуже 0.8 мкс.
-
Получены пространственно - временные картины плотности электронов и тяжелых частиц лазерного эрозионного плазменного факела ( ЛЭПФ ), возникающего при действии 20 -микросекундного импульса лазера на красителе на различные металлы с помощью двухдлинноволновой голографической киносъемки в одном эксперименте. Обнаружен отрыв электронной компоненты от тяжелых "светящихся" частиц, связанный с переходом режима воздействия с образованием лазерного эрозионного плазменного факела в режим выталкивания.
-
Впервые исследованы динамика роста кратера и изменение полей плотности полиметилметакрилата при действии на его поверхность миллисекундного лазерного импульса со сложной временной структурой. Обнаружен и объяснен эффект неравномерного развития разогретой области.
-
Впервые реализован двухимпульсный режим генерации мощного лазера на красителе с коаксиальной накачкой на основании анализа пространственно - временного изменения оптических неоднородностей в его активной среде, возникающих как в процессе, так и после импульса накачки во временном диапазоне от микросекунд до часов. Обнаружено, что на ранних стадиях ( до 25 мкс ) возникают термооптические неодно-
з родности из-за неравномерного поглощения излучения накачки. В дальнейшем поведение среды определяется распространением и затуханием релаксационных акустических волн, частота которых определяется геометрией кюветы и материальными константами жидкости, а затухание происходит тем быстрее, чем мощнее импульс накачки. Практическая значимость полученных результатов. Предложений в диссертационной работе способ скоростной голографи-ческой киносъемки является универсальным при изучении в единичном эксперименте динамики быстропротекающих фазовых процессов в твердых, жидких, газообразных и плазменных средах. Он не требует использования уникального оборудования, прост в эксплуатации.
Разработанный и реализованный в работе способ двухдлин-новолновой голографической киносъемки дает возможность с высокой достоверностью исследовать временные изменения полей концентраций электронов и тяжелых частиц в лазерных приповерхностных плазменных образованиях, что позволяет контролировать режимы лазерного воздействия на конструкционные материалы и тем самым следить за их технологическими характеристиками.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Пространственно - временная картина изменения полей плотности электронов и тяжелых частиц лазерного эрозионного плазменного факела, полученная с помощью двухдлинноволно-вой скоростной голографической киносъемки при воздействии на алюминиевый образец 20-микросекундного импульса излучения колоколообразной формы родаминового лазера со средней плотностью мощности 5-^30 Мвт/см2. Во всем диапазоне плотностей мощности воздействующего излучения вклад в рефракцию молекул атмосферных газов существенен в области, непосредственно прилегающей к ударной волне, а вклад в рефракцию атомов и ионов образца пренебрежимо мал.
-
Эффект неравномерного развития кратера и разогретой области полиметилметакрилата при воздействии на его поверхность длинного (~ 1,2 мс ) лазерного импульса со сложной, меняющейся случайным образом от импульса к импульсу структурой и энергией 5*50 Дж. Временные зависимости диаметра, глубины и объема кратера являются гладкими и никак
не "реагируют" на отдельные пички лазерного импульса. Также плавно перемещаются и поверхности равной плотности. Рост кратера сначала осуществляется за счет преимущественного увеличения его диаметра и лишь затем, когда диаметр достигает значений ~ 1,5 D, где D-диаметр пятна фокусировки, наблюдается его трехмерный рост, который заканчивается через - 100 мкс после начала воздействия.
-
Динамика развития неоднородностей в активной среде мощного лазера на красителе, возникающих под действием светового коаксиального импульса накачки. Наиболее сильные неоднородности связаны с распространяющимися в активной среде акустическими волнами, возникающими из-за деформаций стенок кюветы. Радиальные колебания плотности затухают быстрее осевых, а осевые колебания носят ярко выраженный релаксационный характер.
-
Двухимпульсный режим генерации мощного лазера на красителе. Второй импульс накачки подается во время релаксационной стабилизации давления в кювете с активной средой. Стабилизация давления происходит тем раньше, чем выше уровень накачки, что связано с переходом от колебаний системы "кювета-жидкость" как целого к раздельному движению стенок кюветы и раствора активной среды. .В последнем случае колебания в системе "кювета-жидкость" вследствие наличия вязкого трения быстро затухают.
Личный вклад соискателя. Автором диссертации разработан способ скоростной голографической киносъемки и созданы экспериментальные установки для его реализации при изучении фазовых процессов в различных средах.
Анализ полученных результатов и осознание их места в современной науке проведены автором совместно с научными руководителями.
Вклад других соавторов заключается в создании лазерных источников, использовавшихся в' работах, в осуществлении параллельных и не рассматривающихся в данной диссертационной работе исследований в ходе проведения экспериментов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались на I и II Всесоюзных семинарах "Физика быстропротекающих плазменных процессов" ( Гродно, 1986, 1989 гг. ), VII Белорусско-литовском семинаре "Лазеры
5 и оптическая нелинейность" ( Минск, 1987 г. ), на XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988 г.). на Республиканской конференции "Оптические методы контроля качества продукции" ( Гродно, 1988 г. ), на зональной конференции "Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии" ( Пенза, 1988 г. ), на V Всесоюзном совещании "Диагностика высокотемпературной плазмы" (Минск, 1990 г.), на межотраслевом семинаре "Физические методы исследования прозрачных неоднородностей" ( Москва, 1990 г. ), на Всесоюзном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" ( Гродно, 1991 г.), на I и II Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии"(Гродно, 1993 г. и 1995 г.), на Международной конференции "Интерферометрия-94" ( Варшава, 1994 г.), на Международной конференции "Фотомеханика - 95" (Новосибирск, 1995 г.).
Опубликованность результатов. Основное содержание диссертации отражено в пяти статьях в журнале "Квантовая электроника" [11,15,17,19,20], в "Журнале прикладной спектроскопии" [2] и журнале "Весці АкадэмИ навук БССР" [10], защищено шестью авторскими свидетельствами [1,4,6,7,8,9]. По материалам исследований опубликовано 32 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, общей характеристики работы, четырех глав, выводов и списка использованных источников. Она изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, одну таблицу и библиографию из 154 наименований. Общий объем диссертации 132 страницы.
