Взаимодействие лазерного излучения с плазмой

Поскольку обработка материалов лазерным лучом, как правило, осуществляется не в воздухе, а в нейтральной газовой среде, то исследование его взаимодействия с плазмой проводилось в атмосфере аргона. Для оценки результатов эксперимента важно знать параметры аргоновой плазмы до прохождения через нее лазерного луча, то есть температуру, концентрацию заряженных частиц и яркостную температуру, и то, как меняется состояние плазмы при прохождении через нее луча. Эксперименты проводились с использованием излучений твердотельного (1,06 мкм) и СО₂ (10,6 мкм) лазеров. В экспериментах с твердотельным лазером источником плазмы служил аргоновый плазмотрон [18]. Начальная температура плазмы находилась по измерениям абсолютных интенсивностей излучения спектральных линий аргона, концентрация заряженных частиц рассчитывалась с использованием уравнения Саха и определя­лась по уширению присутствовавшей в спектре первой линии бальмеровской серии водорода. В месте прохождения лазерного луча эта температура равнялась 9500 К, а электронная концентрация составляла 10¹⁶ см^–3. Воздействие изучалось при варьи­ровании плотности мощности луча в широких пределах.

На длине волны 1,06 мкм получены следующие результаты. При плотности мощности луча ниже 3×10⁷ Вт/см² плазма практически не поглощала энергию и, соответст­венно, не меняла своих параметров. При превышении указанной интенсивности на­блюдался пробой, внутри плазменного факела возникала возмущенная область, фронт возмущения распространялся внутри плазмы вдоль лазерного луча со скоро­стью 5 км/с, что превышает скорость звука в плазме (2 км/с). Возникал режим детона­ционной волны. Но уже через 25 мкс скорость снижалась до дозвуковой (~150 м/с), после чего возмущенная зона стабилизировалась в пространстве, давление в ней снижалось до атмосферного, а детонационный режим сменялся режимом медленного горения (радиационной волны). В возникшей возмущенной зоне температура плазмы повышалась до 19000 К. Несмотря на это, поглощение энергии проходящего луча в среднем не превышало 3%, то есть плазма оставалась прозрачной для излучения на длине волны 1,06 мкм. Объяснение такое: длительность лазерного импульса состав­ляла 0,13 мс, режим детонационной волны, при котором поглощение значительно, продолжается только 25 мкс., незначительную часть времени действия лазерного луча. Поэтому среднее за импульс поглощение оказывается небольшим.

Проведение исследования взаимодействия лазерного излучения на длине волны СО₂ лазера (10,6 мкм) с аргоновой плазмой осуществлялось в измененных условиях [19]. Было признано, что струя плазмотрона не обеспечивает необходимую стабильность и равномерность распределения параметров плазмы по сечению и во времени. В качестве источника плазмы была использована широкая трубка, заполненная аргоном при давлении 1 атм., в которой протекал импульсный разряд. Длительность разряда в трубке – несколько миллисекунд, что почти на три порядка превышает длительность воздействующего лазерного импульса 2 мкс. На квазистацио­нарной стадии разряда плазма равномерно заполняла сечение трубки, находилась в состоянии локального термодинамического равновесия и по отношению к короткому лазерному импульсу являлась стабильным образованием. Температура и электрон­ная концентрация измерялись спектральными методами. Температура равнялась 14000 К, концентрация заряженных частиц – 1,5×10¹⁷ см^–3. Синхронизация разряда в аргоне с импульсом лазера обеспечивала попадание зондирующего луча на плазму в период времени, когда разряд достигал установившегося состояния, и плазму можно было считать стационарной. В результате проведенных исследований получены следующие результаты.

1) Излучение лазера полностью поглощается в плазме во всем исследованном диапазоне плотности мощности луча от 5×10⁵ до 5×10⁷ Вт/см².

2) Возмущение плазмы возникало при превышении плотности мощности пороговой величины 5×10⁵ Вт/см². При меньших плотностях мощности поглощение излучения протекало без возникновения возмущения.

3) При плотностях мощности, превышавших ~ 10⁷ Вт/см², наблюдалось резкое изменение характера взаимодействия излучения с плазмой.

4) Во всех случаях возмущенная зона возникала на границе плазмы и холодного газа, а не внутри плазмы.

В интервале плотностей мощности от 5×10⁵ до 10⁷ Вт/см² возмущенная зона образовывалась в относительно холодном газе у границы плазмы и проникала на некоторую глубину внутрь плазмы. Показатель поглощения излучения в плазме по оценке равен 2 см^{– 1}. После завершения действия лазерного импульса (2 мкс) распад зоны возмущения протекает в течение примерно 20 мкс. При плотностях мощности 2×10⁷ Вт/см² и выше сначала возникает пробой холодного газа вблизи границы плазмы и образуются две ударные волны. Одна распространяется в холодном газе навстречу лазерному лучу с начальной скоростью примерно равной 4 км/с. Вторая двигается в глубину плазменного слоя с начальной скоростью, превышающей 8 км/с. В возмущенной области плазмы температура возрастает до 6×10⁴ К, а электронная концентрация превышает 8×10¹⁷ см^–3. В возмущенной области «холодного» газа температура достигает 1,5×10⁴ К. Эти данные хорошо согласуются с теорией режима детонационной волны. Разогрев плазмы во всех случаях осуществляется за счет газодинамических явлений, но не за счет поглощенной энергии лазерного луча.

Сопоставление взаимодействия лазерного луча с плазмой на длинах волн 1,06 и 10,6 мкм требует учета различий в проводившихся экспериментах. Во-первых, разница в длительности и форме лазерных импульсов. Во-вторых, некоторое отличие исходных параметров аргоновой плазмы. Важно выделить не те следствия, которые определяются этими различиями, а принципиальные отличия, определяемые разными длинами волн зондирующих лучей. Эти различия следующие:

1) на длине волны 10,6 мкм излучение поглощается в плазме даже при плотностях мощности ниже порога оптического пробоя, в то время, как на длине волны 1,06 мкм плазма полностью прозрачна;

2) на длине волны 10,6 мкм пробой всегда возникает в холодном газе у границы плазмы, а пробой излучением 1,06 мкм протекает внутри плазмы и создает возмущенную зону только там, причем газодинамические явления не выходят в область холодного газа. Согласно полученным результатам можно утверждать, что излучение СО₂ лазера взаимодействует с плазмой практически так же, как с поверхностью твердого тела.

Было бы ошибкой утверждать, что воздействие лазерного луча на образец выгоднее осуществлять на более коротких длинах волн по сравнению с длиной волны СО₂ лазера, поскольку при этом отсутствует заметное поглощение луча в плазме. Если бы производилось воздействие на плазму не длинным лазерным импульсом, а коротким, например, получаемым при модуляции добротности, то на протяжении его действия детонационный режим пробоя не переходил бы в режим медленного горения, и поглощение луча в плазме было бы полным. Плазма прозрачна для длины волны 1,06 мкм только тогда, когда плотность мощности меньше 10⁷ Вт/см². Но при таких мощностях луч, достигнув поверхности образца, не вызовет даже испарения его верхнего слоя. Так что пройти сквозь плазму к объекту не сможет лазерный луч ни той, ни другой длины волны, если его плотность мощности (и энергия) будут выше порога оптического пробоя плазмы.

Вернемся к случаю, когда воздействие лазерного луча осуществляется на поверхность при отсутствии заранее образованной плазмы. Как только плотность в пятне облучения Е_t превысит пороговое значение Е_n, возникает пробой паров материала поверхности, мгновенно перебрасывающийся на окружающий воздух. После этого протекает процесс взаимодействия луча с образовавшимся плазменным факелом. Выше были приведены данные о времени задержки возникновения плазмы по отношению к началу действия лазерного импульса. Проведенные нами исследования такого взаимодействия показали, что возникновение плазмы еще не означает наступления экранировки ею поверхности объекта [20]. Оказалось, что существует порог наступления экранировки Е_s, который заметно превышает порог оптического пробоя Е_n, то есть Е_s > E_n. Поэтому в интервале плотностей энергий E_n < E < E_s плазма остается прозрачной для лазерного луча. Порог экранировки для данного материала при данной длительности лазерного импульса есть величина постоянная. Но для разных материалов она может сильно отличаться.

Материал	ti мкс	Es Дж/см^2	Es - En Дж/см^2
Стекло		5,7	4,3
Стекло		5,7	4,0
Дюралюминий		4,5	2,3
Дюралюминий		7,5	1,0
Оргстекло		13,5	4,5
Кварц		14,0	10,4
LiF		22,0	14,0

По мере того, как плотность энергии лазерного импульса превышает порог экранировки, наблюдается нарастающая его деформация после прохождения плазмы. Осо­бенность деформации состоит в том, что с ростом энергии исчезают задние участки ла­зерного импульса, то есть излучение полно­стью поглощается через определенный вре­менной интервал после начала импульса. Время задержки начала экранировки есть функция энергии импульса Е_i и разности по­роговых значений энергий экранировки и пробоя

E_s – E_n.

Эта разность является постоянной величиной для данного материала при данной длительности лазерного импульса. Для раз­ных материалов соответствующие значения могут сильно отличаться. Нам удалось полу­чить эмпирическую формулу для времени задержки наступления экранировки:

t_s = t_o + (4.7)

t_i, E_i – длительность и плотность энергии лазерного импульса, t_o – минимальное время задержки наступления пробоя по отношению к началу импульса. Выше было показано, что это время равно 0,1 мкс. Отсюда, в частности, следует, что передний пичок лазерного импульса во всех случаях беспрепятственно проходит к поверхности образца. В таблице приведены значения E_s и разности E_s – E_n для пяти материалов, каждый из которых представляет свою родственную группу.

Дата добавления: 2015-10-16