- •Часть II
- •Содержание
- •0. Лазерный нагрев материалов 7
- •1. Лазерное разрушение поглощающих материалов 92
- •0. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред 136
- •Глава 0. Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы 150
- •Введение
- •0. Лазерный нагрев материалов
- •0.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением
- •0.0.0. Тепловые эффекты в конденсированных средах
- •0.0.1. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии на металлы
- •0.0.2. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия
- •0.1. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
- •0.1.0. Термомеханические эффекты
- •0.1.1. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)
- •0.1.2. Эмиссионные процессы
- •0.1.3. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа. Лазерное окисление
- •0.1.4. Диффузионно-химические явления
- •0.1.5. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
- •0.2. Линейные режимы лазерного нагрева
- •0.2.0. Понятие температуры электронной и решеточной подсистем
- •0.2.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником
- •0.2.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности
- •0.2.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем
- •0.2.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения
- •0.2.5. Влияние временной зависимости интенсивности лазерного излучения
- •0.2.6. Лазерный нагрев тонких слоев и пленок
- •0.2.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле
- •0.2.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
- •0.3. Нелинейные режимы лазерного нагрева
- •0.3.0. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности
- •0.3.1. Изменение поглощательной способности окисляющихся материалов при лазерном нагревании. Тепловая неустойчивость
- •0.3.2. Интерференционные явления в окисном слое
- •0.4. Лазерное плавление поверхности
- •0.4.0. Вакансионная модель плавления
- •Контрольные вопросы к разделу 1
- •1. Лазерное разрушение поглощающих материалов
- •1.0. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения
- •1.0. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов
- •1.0.0. Разрушение упругими напряжениями
- •1.0.1. Разрушение остаточными напряжениями
- •1.1. Химические механизмы разрушения
- •1.2. Высокотемпературные механизмы с участием испарения
- •1.3. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
- •1.4. Лазерное испарение
- •1.4.0. Кинетика испарения плоской поверхности
- •1.4.0.0. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
- •1.4.0.1. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
- •1.4.1. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
- •1.4.2. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением
- •1.4.2.0. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров
- •1.4.2.1. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.
- •1.4.3. Вытеснение расплава избыточным давлением паров
- •1.5. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения
- •Контрольные вопросы к разделу 2
- •0. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
- •0.0. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков
- •0.0.0. Оптический пробой газов
- •0.0.1. Оптический пробой идеально чистых твердых тел
- •0.1. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред
- •0.1.0. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред
- •0.1.1. Тепловая неустойчивость
- •0.1.2. Статистическая концепция оптического пробоя
- •0.1.3. Размерная зависимость порога пробоя
- •Контрольные вопросы к разделу 3
- •Глава 0. Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы
- •0.0. Двухтемпературная модель при сверхкоротком воздействии
- •0.1. Особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы
- •0.2. Особенности разлета вещества при фемтосекундном лазерном воздействии
- •0.3. Плавление при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов
- •0.3.0. Термическое плавление с высокими скоростями
- •0.3.1. Нетермическое плавление
- •0.4. Фотофизическая абляция
- •0.5. Уплотнение электронного газа и кулоновский взрыв в поверхностном слое проводника
- •0.6. Формирование лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов
- •0.6.0. Механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии сверхкоротких импульсов
- •0.6.1. Резонансная дифракция на плоской поверхности с периодической модуляцией оптических свойств
- •0.6.2. Формирование периодического профиля поля температур
- •0.6.3. Эволюция периодических поверхностных структур в расплавленном поверхностном слое
- •0.7. Силовое действие сверхкоротких импульсов на прозрачные диэлектрики
- •Контрольные вопросы к разделу 4
- •Список рекомендуемой литературы
- •Кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения
- •История кафедры лт и эп делится на
- •4 Разных периода:
- •1) Лазерное формирование многофункциональных зондов (мз) для зондовой микроскопии с целью создания универсальных зондовых микроскопов.
- •3) Наноструктурирование тонких металлических и полупроводниковых слоев.
- •4) Управление микрогеометрией, наношероховатостью и физико–химичекими свойствами поверхности материалов
- •2. Лаборатория лазерной очистки и реставрации произведений культуры и искусства (пкин) организована совместно с фирмой ооо «Мобильные лазерные системы».
- •Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика).
0.1.5. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
Важным фактором, определяющим закономерности и специфику термохимического механизма взаимодействия лазерного излучения с металлами, является дополнительное выделение тепла при протекании реакции – ее экзотермичность. Трудность обнаружения экзотермических эффектов при импульсном облучении окисляющихся металлов связана с тем, что в обычных условиях дополнительный тепловой поток от химической реакции ( - тепловыделение при протекании химической рекции, - её скорость) мал по сравнению с используемым для нагрева металла падающим световым потоком . Вместе с тем, для металлов с большим тепловым эффектом окисления, а также для каталитического окисления на поверхности металлического катализатора экзотермичность реакции при ее протекании с высокой скоростью в течение импульса проявляется в тепловом последействии и может существенно изменить характер окисления.
На рис. 0.9 приведены зависимости температуры центра зоны облучения титановой пластины толщиной 50 мкм от времени при различных плотностях энергии излучения ( ) импульса свободной генерации неодимового лазера ( мс). Видно, что при Дж/см2 (кривая 3) температура образца продолжает повышаться и после окончания светового воздействия (кривая 4). Это можно объяснить только экзотермичностью окисления, тепловой эффект которого оказывается достаточным для покрытия всех видов теплопотерь. Вместе с тем эти зависимости показывают, что через несколько десятков миллисекунд возникшее горение начинает затухать (кривые 3, 4 на рис. 0.9, б). Это естественно связать с обеднением приповерхностного слоя воздуха кислородом и малой эффективностью диффузионного механизма его притока к образцу. Другой возможный механизм затухания горения титана в конденсированной фазе – испарение металла и образующегося окисла с оттеснением воздуха от поверхности образца – не реализуется, так как температура в зоне реакции во всех режимах воздействия меньше температуры кипения титана и его окислов.
Характер протекающих процессов резко меняется при импульсном облучении термически тонкой пластины в воздушном потоке, особенно это сказывается при когда возможно незатухающее горение термически тонкого металлического слоя (рис. 0.9, б, кривая 5). Область горения в таком режиме постепенно (со скоростью до 1 см/с) распространяется за пределы светового пятна, внутри которого была инициирована импульсная реакция, и сам процесс горения становится автоволновым.
Рассмотрим условия импульсного воспламенения термически тонкой металлической пластины теоретически. Как известно, в отсутствие пространственных перепадов температуры воспламенение происходит при таком значении , когда тепловой поток от реакции полностью компенсирует теплопотери образца в момент окончания светового импульса:
.
Рис. 0.9. Зависимости температуры от времени в центре зоны облучения титановой пластины толщиной 50 мкм, нагреваемой импульсом излучения неодимового лазера длительностью 1.3 мс при различных плотностях энергии в неподвижном воздухе (1–4) и при обдуве (5): 1 — Дж/см2; 2 — 40; 3 — 50; 4,5 — 75; а — ранние моменты времени; б — поздние моменты времени. Пунктиром на рис.3.24–а показана форма импульса излучения.
Если считать, что окисление металла подчиняется обобщенному степенному закону, то толщина окисной пленки к моменту окончания импульса и скорость окисления в этот момент могут быть выражены через эквивалентное время изотермического окисления при максимальной температуре следующим образом:
; ,
где
; ,
Для прямоугольного светового импульса, когда , при и
.
Для наиболее распространенного, параболического закона окисления ( ) можно найти приближенное значение температуры воспламенения:
,
( - постоянная Стефана).
Например, для титана при мс величина (при изменении от 46 до 5 кДж/см3) составляет 1000–1200 К в зависимости от экзотермичности реакции. Необходимо, однако, подчеркнуть, что определенные здесь значения представляют собой минимальные температуры воспламенения, поскольку при оценках не учтены теплопроводностные потери за пределы светового пятна, играющие существенную роль в тепловом балансе во многих реальных экспериментах.
Температура воспламенения зависит от длительности импульса и логарифмически уменьшается по мере его укорочения. Эта неочевидная особенность является прямым следствием параболического закона окисления, при котором тепловой эффект реакции тем больше, чем тоньше слой окисла, образовавшегося к моменту достижения температуры . Естественно, что такая закономерность сохраняется до определенных значений , пока нагрев образца можно рассматривать в приближении термически тонкой пластины: .
Рис. 0.10. Зависимость пороговой плотности энергии в импульсе излучения неодимового лазера длительностью 1,3 мс, необходимой для воспламенения титановой пластины, от ее толщины .
При отклонении от этого условия, имеющем место при исследовании воспламенения термически толстых слоев металла, определяющим механизмом теплоотвода становится теплопроводность вглубь образца. Пороговая плотность энергии здесь сверхлинейно растет с толщиной пластины (рис. 0.10), причем воспламенение возможно до тех пор (при данной длительности импульса), пока пороговая температура ниже температуры кипения металла.