Факторы воздействия

В разделе Введение говорилось, что особенности лазерного лучевого воздействия на конструктивные материалы, обеспечивающего протекание так называемых «силовых» технологических процессов (резание, сварка, поверхностная закалка, очистка поверхностей и некоторые другие) требует значительных энергетических затрат. Величина таких затрат определяется тем, что каждый подобный процесс может протекать лишь в условиях, когда плотность энергии в пятне облучения превышает определенное пороговое значение. Порог не является универсальной величиной, он зависит от обрабатываемого материала, от параметров лазерного луча – длины волны, размеров пятна облучения на поверхности изделия, режима воздействия (непрерывного, частотно-импульсного или импульсного), от условий, в которых протекает процесс (в атмосфере, в нейтральной, окислительной или восстановительной среде) и т.д. Подготовка любого технологического процесса с применением лучевого лазерного инструмента для обработки конкретного изделия требует индивидуальной разработки этого процесса. В основе такой разработки присутствует знание физических факторов воздействия высокоэнергетического лазерного излучения на вещество, и знание результатов экспериментальных исследований зависимости порога плотности энергии от различных факторов.

Физические факторы воздействия. Прежде всего, отмечается тепловое воздействие лазерного луча на материалы. Падающий на поверхность объекта луч частично отражается и частично поглощается, проникая на определенную глубину внутрь образца. Протекание этих процессов зависит от оптических свойств материала, от состояния самой поверхности, от длины волны, длительности импульса и интенсивности лазерного луча. В зависимости от исходных свойств оптическую среду рассматривают как прозрачную, частично прозрачную или полностью непрозрачную для излучения данной длины волны. В общем случае различают поверхности, которые хорошо отражают лазерный луч (например, при высоком качестве полировки металлической поверхности), либо плохо отражающие. В случае идеально прозрачной среды или идеально отражающей поверхности взаимодействие лазерного излучения с образцом не произойдет. Но реальные среды никогда не бывают идеальными, и в любом варианте какая-то часть падающего излучения поглотится материалом, вызвав его нагрев и частичное испарение.

В середине 70-х годов А.М.Прохоров с сотрудниками предложил первую теорию теплового воздействия лазерного луча на материалы. Согласно этой теории поток частиц пара с поверхности j оказывается пропорциональным плотности поглощенной лучевой мощности I:

(4.1)

R – коэффициент отражения поверхности, М – масса атома (молекулы) пара, q – удельная теплоемкость испарения вещества объекта. Соответственно концентрация N частиц пара у поверхности равна:

(4.2)

Здесь u – скорость звука в паре при критической температуре Т ~ Т_кр

Изделия, хорошо отражающие излучение на данной длине волны, называют зеркалами. Зеркало – это оптическое устройство, коэффициент отражения поверхности которого R выше 0,95. Основные области применения зеркал – оптические резонаторы лазеров и оптические схемы, используемые вне резонаторов для изменения направления распространения лазерного луча. Хотя существующие технологии изготовления зеркал обеспечивают чрезвычайно высокие коэффициенты отражения луча, в случае мощных лучевых потоков даже, казалось бы, очень небольшая доля потерь лучистой энергии при отражении ведет к сильнейшим тепловым воздействиям, снижающим с течением времени качество поверхности зеркала. Отсюда возникает понятие лучевой стойкости зеркала, борьба за повышение которой требует серьезных усилий.

Однако нам нет необходимости отвлекаться на эту проблему, так как силовые воздействия, как правило, осуществляются на объекты, поверхности которых сильно поглощают падающие лучевые потоки. Иначе говоря, в первом приближении коэффициент отражения у таких поверхностей близок к нулю, а (1 – R) ~ 1. В рассмотре­нии подобных случаев заложен глубокий смысл. Как показывают исследования, поглощение на поверхности не распределено равномерно и места с относительно малым поглощением чередуются с центрами полного поглощения. Для развития испа­рения важны именно такие центры, а не средний по поверхности коэффициент поглощения материала.

Далее в теории Прохорова и сотрудников было показано, что появление пара у поверхности способно привести к развитию низкопорогового пробоя. До появления лазеров физики изучали пробой газов в сильном электрическом поле, но не сталкивались с пробоем газа оптическим излучением. И это не удивительно, ведь, напри­мер, пробой атмосферного воздуха в электромагнитном поле оптического излучения может произойти лишь при напряженности электрического компонента такого поля порядка 10⁷ В/см, в то время как в постоянном электрическом поле пробой воздуха происходит при 3×10⁴ В/см.

В конце 1962 года группа американских исследователей осуществила модуляцию добротности рубинового лазера и наблюдала пробой атмосферного воздуха гигантским импульсом. Это был первый случай наблюдения лазерной искры, вызванной оптическим пробоем воздуха, и сообщение о нем произвело настоящую сенсацию. Де­тальное обсуждение теоретических и экспериментальных данных о пробое газов электромагнитными излучениями содержится в известной монографии профессора Ю.П. Райзера [25].

Для понимания процесса взаимодействия лазерного импульса с материалами важно то, что после появления около облучаемой поверхности достаточно плотных паров вещества в них может развиться пробой, сопровождаемый образованием плазмы и некоторыми другими явлениями. Итак, модель взаимодействия лазерного луча с поверхностью материала представляется в следующем виде. Если интенсивность луча I превысит некоторое пороговое значение , то процесс испарения вещества протекает лавинообразно, у поверхности почти мгновенно появляется слой плотного пара, глубина которого в первом приближении того же порядка, что и диаметр пятна облучения. Этот процесс получил название режима развитого испарения. Например, для СО₂ лазера порог интенсивности развитого испарения определяется условием:

(4.3)

где q – удельная теплота испарения поверхностного слоя, n – его плотность, t – время облучения, а – коэффициент поглощения. Типичный случай: n×q» 10³ ¸ 10⁴ Дж/см³, а ~ 10³ см^–1, t ~ 10^{– 6} с, тогда . Расчеты показывают, что плотность пара у поверхности n ³ 10²⁰ см^{- 3}, а температура достаточно высока, чтобы термическим путем довести степень ионизации пара примерно до значения 10^{- 4}. Таким образом, исходная концентрация заряженных частиц очень высокая, порядка 10¹⁶ см^{- 3}. В таких условиях пробой пара может произойти при относительно низких значениях интенсивности лазерного луча, намного более низких, чем в воздухе при отсутствии твердой поверхности.

В любом газе, в том числе и в воздухе, оптический пробой, как уже говорилось, происходит при высоких интенсивностях излучения. Порог пробоя зависит от длины волны излучения, от рода газа, от давления и еще некоторых факторов. При прочих равных условиях пороговая интенсивность пробоя примерно обратно пропорциональна квадрату длины волны. Так, атмосферный воздух пробивается при интенсивности луча СО₂ лазера (10,6 мкм) порядка 10⁹ Вт/см², при интенсивности химического лазера (~3 мкм) ~10¹⁰ Вт/см² и при интенсивности неодимового лазера (1,06 мкм) порядка 10¹¹ Вт/см². Излучение СО₂ лазера интенсивностью 10⁶ – 10⁷ Вт/см² неспособно вызвать пробой воздуха у поверхности объекта, но оно вызовет режим развитого испарения, а в образовавшемся плотном ионизованном паре порог пробоя снижается на 2 – 3 порядка по сравнению с воздухом. Затем пробой перекидывается на окружающий воздух. Это явление впервые было обнаружено в 1973 году и под названием "низкопороговый пробой у поверхности твердого тела" о нем сообщила группа А.Прохорова в «ЖЭТФ». Описанная модель взаимодействия позволяет сделать вывод, что только СО₂ лазер способен вызвать оптический пробой у поверхности материала при столь низких интенсивностях луча. Лазеры с более короткими длинами волн вызовут пробой при интенсивностях на 1-2 порядка более высоких.

Открытие эффекта низкопорогового пробоя пара у поверхности твердого тела имело два важных следствия. Во-первых, было наглядно показано, что в процесс воздействия лазерного луча на материалы активно вторгается плазма, способная экранировать эту поверхность от излучения и снижать эффективность прямого действия луча на объект. Во-вторых, сама плазма создает интенсивное оптическое излучение в широком диапазоне длин волн, становясь источником вторичного воздействия на обрабатываемые материалы.

Фактор теплового воздействия лазерного излучения на материалы осуществляется либо в непрерывном, либо в частотно-импульсном режимах воздействия. Еще один фактор прямого воздействия проявляется в импульсном режиме. При очень коротком времени воздействия сильноточного лазерного импульса на изделие проис­ходит выброс мощной струи пара в направлении, перпендикулярном к плоскости поверхности. В результате возникает импульс отдачи, способный вызвать отброс незакрепленного изделия или деформацию его поверхности. Величина импульса отдачи растет с ростом интенсивности лазерного импульса, она зависит от материала, от длительности импульса воздействия, от размеров пятна облучения. Эксперименты показали, что при прочих равных условиях импульс отдачи не может расти беспре­дельно, на определенном рубеже интенсивности луча возникает плазма, прерываю­щая доступ части оптического потока к поверхности, величина импульса отдачи насыщается, и дальнейший рост интенсивности луча на эту величину не оказывает влияния.

Само по себе знание факторов лазерного воздействия на материалы конкретизируется лишь в случае, когда известен характер зависимостей пороговых значений плотности энергии (мощности) в пятне облучения на протекание конкретных техноло­гических процессов обработки материалов. Пока остаются неясными пути, на которых может быть создана единая теория взаимодействия лазерного луча с различными материалами в различных условиях. Выяснение характера зависимостей пороговых значений плотности энергии, обеспечивающих возможность обработки тех или иных материалов лазерным воздействием, осуществляются экспериментально. Здесь будут рассмотрены основные результаты экспериментальных исследований воздейст­вия мощного лазерного излучения на материалы в рамках технологических их прило­жений, в основном осуществленные в НПО Астрофизика.

Дата добавления: 2015-10-16