Энергетический баланс процесса взаимодействия лазерного

ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБРАЗЦА [17,21]

Введем обозначения: E_i – плотность энергии лазерного луча в пятне облучения на объекте; E_pl – плотность энергии, выделившейся за время от момента начала действия импульса до появления плазмы; E_ir – плотность энергии, излученная плазмой за время ее существования; E_T – плотность энергии в тепловом потоке через поверхность объекта; E_x – плотность рассеянной энергии. Тогда энергетический баланс процесса взаимодействия запишется так:

E_i = E_pl + E_ir + E_T + E_x (4.8)

Все элементы, входящие в энергетический баланс, были экспериментально изучены [21].

1) Энергия формирования плазмы Е_pl. Имеется в виду часть энергии лазерного луча E_rf, отраженная от поверхности, и энергия , поглощенная поверхностью и принявшая участие в образовании плазменного факела. Энергия E_pl пропорциональна площади импульса S_pl от момента t_o (начало) до момента появления плазмы t_d, то есть

E_pl = E_i = (4.9)

где S_o – вся площадь импульса, q(t) – интенсивность луча. Экспериментальные результаты показали следующее. а) Энергия плазмообразования практически не зави­сит от длительности лазерного импульса, по крайней мере, в исследованном интер­вале от 1 до 10 мкс. б) Значения поглощенной энергии Е_pl слабо зависят от энергии лазерного импульса и в интервале значений Е_i от 1 до 16 Дж/см² в первом приближе­нии их можно считать постоянными. Например, для стекла эта величина равна 0,5 Дж/см², для дюралюминия 0,55 Дж/см², для кварца 0,9 Дж/см². Обращает на себя внимание то обстоятельство, что эти значения существенно ниже пороговой плотно­сти энергии образования плазмы у этих материалов (соответственно 1,5; 2,3; 3,5 Дж/см²).

Полученные результаты ставят два вопроса, на которые необходимо было найти ответы. Во-первых, по определению плотность энергии, расходуемая до появления плазмы, состоит из двух частей: из энергии, отраженной поверхностью, и из той энергии, которая определила появление плазмы. Оптические стекла, например, отражают до 20% падающего излучения, а дюралюминий отражает до 92% энергии луча. Таким образом, в первом случае чистый расход энергии на плазмообразование составляет 0,4 Дж/см², а во втором – только 0,04 Дж/см². Подозрительно низкие значения. Вывод: коэффициент отражения, обычно измеряемый при низких интенсивностях светового потока, в процессе лазерного воздействия меняется, и оценивать долю отраженной энергии по справочным данным в этом случае неправомерно. Последующие иссле­дования подтвердили, что интенсивное лазерное облучение меняет привычную кар­тину отражения света, на поверхности возникают центры, которые практически не отражают падающий свет, полностью поглощая излучение. О нетривиальном характере взаимодействия интенсивного излучения с материалом говорят, например, резуль­таты исследования, проведенного в [22]. В указанной работе с применением элек­тронной микроскопии изучалось изменение структуры сплава медь–хром при воз­действии на поверхность образцов интенсивного излучения СО₂ лазера. На длине волны 10,6 мкм свет поглощается металлами в поверхностном слое толщиною порядка микрона, а изменение структуры исследовалось на глубине 50 мкм. После воз­действия одного лазерного импульса на поверхности образцов отсутствовали следы, видимые в световом микроскопе. Но электронный микроскоп на глубине 50 мкм пока­зал множественные изменения структуры: миграция участков большеугловых границ зерен, формирование блочных структур, увеличение плотности дислокаций в объеме, "растворение" частиц хрома в матрице, образование устойчивых комплексов точеч­ных дефектов. Такие изменения характерны для высокотемпературной деформации, но не в таком обширном "комплекте". Оценки показывают, что вся энергия лазерного луч, если бы она выделилась в исследовавшейся зоне, не нагрела бы материал выше 100^оС, этого недостаточно для получения подобного эффекта. Изменение структуры на глубине 50 мкм нельзя объяснить и непосредственным действием излу­чения (оно туда не доходит) или воздействием теплового потока энергии, созданного лазерным импульсом. Предполагается локальное выделение энергии лазерного импульса в объеме сплава медь-хром на дефектах структуры.

Во-вторых, почему плотность энергии плазмообразования ниже плотности энергии порога образования плазмы у этих материалов? На этот вопрос получен такой ответ. Для образования плазмы необходимо одновременное выполнение двух условий: плотность энергии должна быть не ниже тех значений, которые определены в экспериментах, но одновременно плотность мощности должна быть не ниже порога пробоя ионизованных паров материала. При той форме импульса, которую создает СО₂ лазер, оба условия выполняются только при определенном превышении энергии импульса над энергией, необходимой для образования плазмы.

2) Энергия, излучаемая плазмой. Она может быть определена двумя независимыми методами: либо в светометрическом шаре, либо измеряя свет фотоприемниками, расположенными под разными углами к источнику излучения. Обоими методами установлено, что доля энергии излучения в балансе (E_r/E_i) для стекла, оргстекла, кварца, дюралюминия и LiF одинакова и равна 0,005. Это позволяет пренебречь потерями на излучение в энергетическом балансе взаимодействия.

3) Тепловой поток через поверхность объекта. Поток тепла через поверхность определяется соотношением:

E_T = m×c×DT_h (4.10)

m – масса части пластинки, занимаемой пятном облучения, c – теплопроводность материала, DТ_h – повышение температуры в пятне относительно исходного значения. В [21] температура измерялась термопарами, специальным образом установленными позади поверхности пластины. Измерения показали, что у диэлектриков и у металлов зависимость теплового потока от плотности энергии лазерного импульса имеет разный характер. У металлов сразу после превышения порога образования плазмы тепловой поток через поверхность очень слабый, порядка 5% от всей энергии лазерного импульса. Основные потери – это рассеяние энергии в окружающую среду Е_х. По мере роста плотности мощности лазерного импульса тепловой поток растет и к моменту возникновения режима детонационной волны (при длительности импульса 2 мкс это происходит в районе 10 Дж/см²) он уже составляет примерно 10% от энергии импульса. Дальнейшее повышение лучистой энергии не влияет на величину теплового потока.

У диэлектриков наоборот, сразу после возникновения плазмы тепловой поток составляет от 80 до 90% от энергии лазерного импульса. С ростом этой энергии происходит экспоненциальное снижение энергии теплового потока, пока не достигаются минимальные его значения, равные, в зависимости от материала, 2 – 5%. В целом энергетический баланс, выраженный соотношением (4.8), показывает, что образовавшаяся плазма в значительной мере рассеивает полученную ею энергию в окружающую среду и в меньшей мере передает ее в виде тепла поверхности объекта. У металлов это имеет место практически при любых значениях плотности энергии, у диэлектриков рассеяние энергии плазмой нарастает по мере расширения плазменного факела.

Дата добавления: 2015-10-16