Введение к работе
r I
„ 4рщалъность темы. Взаимодействие лазерного излучения ІІ&рдіДми поверхностями привлекает большой интерес иссле-вателеи, вызванный в значительной степени поисками опти-льных применений лазеров в различных практических це-х, как например, для размерной и термической обработки ма-эиалов, легирования, отжига полупроводников, сварки метал-в и др. Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) для подоб-[х применений лежит как правило в диапазоне ДОМОЮ
/СМ2.
Взаимодействие ЛИ умеренной интенсивности с вещест-vi задача многопараметрическая и зависит от длины волны, щности и пространственно-временных характеристик ЛИ, )модинамических и оптических свойств вещества и окружаю-:й атмосферы и т. д. Поэтому экспериментальные и теорети-:кие исследования особенностей взаимодействия ЛИ с вещес-)м представляют собою сложную задачу, содержащую боль-іе число малоизученных или неоднозначно интерпретируе-IX явлений. К таким явлениям можно отнести эффективность «действия ЛИ в различных условиях, как например, при начни газового потока даже с дозвуковыми скоростями, (что ха-сгерно для режимов сварки мощными непрерывными С02-$ерами). Или генерацию поверхностных акустических волн іжущимся лазерным излучением вдоль поверхности об-іаемои мишени. Ясно, что наличие относительного движения овой среды, плазмы и лазерного пучка приведет к южнешпо картины взаимодействия.
Для адекватного описания взаимодействия излучения с рдой поверхностью в газовой атмосфере математическая мо-гь должна содержать и теплофизические явления в твердом іе с учетом возможных фазовых переходов, и гидродинамику :плава на поверхности, испарение материала, плазмообразо-ше и динамику плазмы, распространение ЛИ в нестационар-\ поглощающей и преломляющей среде. Практически каж-[ из перечисленных проблем сегодня представляет собой са-ггоятельную область физики и математики. Поэтому при рении каждой конкретной практической задачи приходится іменять различные физически допустимые приближения,
например, построение упрощенных моделей физических г цессов, уменьшение размерности пространства, исходя из с метрии задачи и тд.
Поиски оптимальных режимов воздействия велись во к гих случаях эмпирически. На основе экспериментальных зультатов строились матаматические модели, далеко не вс< адекватно описывающие наблюдаемые в экспериментах яі ния. Именно такая ситуация и сложилась в области исслі вашій взаимодействия С02- и эксимерных лазеров микр кундной длительности с веществом. Накопленный эмпири кий материал лишь качественно описывался существующі моделями. В связи с этим, представляется важным постане и проведение экспериментов в контролируемых условиях, пускающих прямое сравнение результатов реального и чиа ного эксперимента. Это позволи ло бы не только оценить до верность расчетов и адекватность модели, но и уточнить суг твующие модели и получить новую информацию.
Различие в длине волны ЛИ приводит к качественным личиям и в динамике волн. Для излучения с длиной волш мкм коэффициент поглощения велик (порядка 103 см-1), а і тическая плотность плазмы низка (ц, = КД9 см-з). Поэтому оі ческие явления для такого ЛИ играют заметную роль как на дии распространения, так и на стадии распада светодетонаці ной волны (СДВ). В случае же УФ излучения эксимерного л ра, рефракция в плазме несущественна, так как электрог плотность гораздо ниже критической (1^=1022 см-3). Однако, скольку коэффициент поглощения УФ излучения на 1-2 порі меньше, чем для ИК диапазона, СДВ распространяется в жиме неполного поглощения, когда лишь часть излучения глощается в плазме, что вызывает интенсивное испарение с верхности и образование эрозионной плазмы, а также вед более выраженному влиянию неодномерных эффектов в п ме. В этих условиях интерпретация экспериментальных зультатов затруднена. В связи с этим интересно сравнить д: мику (распространение и распад) светодетонационных і (СДВ) в пучках С02 и эксимерного лазеров при малых размі пятен фокусировки и близких пространственно-временных
рактеристиках облучения, когда режим распространения волн поглощения существенно двумерен для обоих длин волн ЛИ.
Целью настоящей работы явилось экспериментальное исследование неодномерных явлений в приповерхностной лазерной плазме, при умеренных интенсивностях излучения и миллиметровых и субмиллиметровых размерах пятен. В работе были поставлены и решены следующие конкретные задачи:
-
Экспериментальное исследование особенностей распространения факела в пульсирующем режиме, инициируемого излучением мощного непрерывного С02-лазера при обдуве металлической мишени различными газами (Ar, С02, N2, Не).
-
Исследование динамики и свойств волн поглощения, инициируемых движущимся вдоль облучаемой поверхности пучком TEA С02-лазера.
-
Экспериментальная верификация самосогласованных численных моделей взаимодействия излучения С02- и ХеСІ-ла-зеров микросекундной длительности с низкотемпературной лазерной плазмой. Сравнение особенностей динамики волн поглощения в пучках TEA С02- и XeCl-лазера с близкими пространственно-временными параметрами.
Научная новизна. Впервые изучены закономерности движения факела приповерхностного пробоя в пульсирующем режиме, распространяющегося в виде доменов, при взаимодействии излучения мощного непрерывного С02-лазера с металлами в условиях, характерных для технологических режимов лазерной обработки. Впервые экспериментально исследованы особенности и динамика волн поглощения, инициируемых движущимся со сверхзвуковыми скоростями пучком TEA С02-ла-зера. Наблюдалось многократное инициирование СДВ с поверхности образца при низких скоростях пучка. Экспериментально верифицирована самосогласованная численная модель взаимодействия излучения С02- и XeCl-лазеров с низкотемпературной лазерной плазмой. Обнаружено искривление фронта поглощения СДВ на поздних стадиях в гауссовом пучке С02-лазера.
Практическая ценность. Полученные результаты экспериментов по исследованию закономерностей движения плазменных доменов позволяют построить адекватные модели взаимодействия излучения с металлами. Показано, что при перс-
мещении лазерного излучения с ростом скоростей пучка порог поддержания волны поглощения возрастает, что делает возможным применение мощных импульсных С02- лазеров для генерации поверхностных акустических волн. Экспериментальная верификация самосогласованной численной модели светодето-национных волн в сфокусированных пучках С02- и ХеС1-лазе-ров дает возможность расчитывать параметры лазерной плазмы с большой степенью достоверности и использовать эти данные для прогнозирования результатов взаимодействия в условиях реальных экспериментов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Скорости доменов, образующихся в факеле квазистационарного п, оверхностного пробоя, определяются длительностью предшествующей паузы между доменами (в случае импульсно-периодического режима с внешней модуляцией -паузой между импульсами). Экспериментально обоснована необходимость учета двумерности распространения волны горения при построении численной модели плазменного факела в характерных условиях технологической лазерной обработки.
-
Получены зависимости скорости движения фронта плазмы, ее порога поддержания и прозрачности от давления газа и скорости перемещения пучка вдоль облучаемой поверхности. Обнаружены многократные повторные поджиги СДВ в аргоне с поверхности при скоростях пучка выше 1 км/с. Показано влияние перестройки модовой структуры импульса на пространственную структуру приповерхностной плазмы.
-
Экспериментально верифицирована самосогласованная численная модель динамики СДВ, поддерживаемых излучением С02- и ХеСІ-лазеров. Получено согласие реального и численного экспериментов по следующим пунктам: зависимостям и параметрам:
-зависимость координаты фронта волны от времени (для обеих длин волн, в диапазоне давлений 0,1 -1 атм); -динамика прозрачности плазмы (С02-лазер, диапазон давлений аргона 0,1 -1 атм); -рефракция лазерного излучения в плазме (С02-лазер).
4. Экспериментально обнаружено искривление фронта
поглощения на стадии распада СДВ в гауссовом пучке.
5. Получена зависимость скорости СДВ в пучке ХеСІ-ла-зера от давления газа и интенсивности импульса. Проведено сравнение режимов распространения волн поглощения для обоих лазеров. Обосновано, что гидродинамическая модель волны поглощения в аргоне адекватно описывает ее динамику в сфокусированном пучке XeCl-лазера в диапазоне интенсивностей 3 -40 ГВт/см2 при субмиллиметровых пятнах ЛИ.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре "Неравновесные физико-химические процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом" (Горький, 1984 г.), VII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988 г.), VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), IV Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения, плазменных и электронных потоков с веществом (Фрунзе, 1990 г.), CLEO'91. Baltimore, May 1991, а также на семинарах МФТИ и ФИАЭ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 4 статьи, 4 препринта и 5 тезисов докладов.
Личный вклад соискателя. Результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены лично автором или в соавторстве при непосредственном участии автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит разработка и реализация методик измерения и получения результатов. Автор принимала непосредственное участие во всех экспериментах, изложенных в диссертации, а также в обработке и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по исследуемым проблемам и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы во введении в качестве защищаемых положений. Общий объем диссертации 159 страниц, из них 93 страница текста 52 рисунка. Библиография включает 118 названий на 14 страницах.
