7У -* oû- /f з
Работа выполнена в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем RHI [ «ГОИ им.
С. И. Вавилова».
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Смирнов В.Б., доктор технических наук, профессор Дресвин С.В. доктор физико-математических наук Смирнов ВЛ1.
И ШШХ aoa»Qft,MCxa
5*' V W 14 Sî V# ï\ г- і
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
БИБЛИОТЕКА
■5 5 f6-00
Защита состоится «_J на заседай и во Всероссийскс ( 199(
Текст доклада
Ученый секретарь Диссертационного Сове доктор технических на; профессор
4/5*-З Ц(
І
Актуальность темы
Лазерное разрушение металлов и прозрачных диэлектриков привлекало вии-ание исследователей практически с момента появления мощных твердотельных перов. Работы ко этой тематике появились через год - другой после появления перов и продолжаются до сих пор. Интерес к этой проблеме связан, с одной ороны, с необходимостью выяснения принципиальных вопросов физики взаимо-ліствия интенсивного лазерного излучения с веществом, а с другой стороны - с тактическими приложениями в технологических задачах лазерной обработки, а ікже> применительно к прозрачным средам, с потребностью в оптических мате-шах. пригодных для создания лазерных систем, отвечающих требованиям осокой мощности и надежности.
При лазерном разрушении металлов на первой стадии исследований наи->лыний интерес представляли величины порога испарения и эффективности >здействия на металл. Уже в самых первых работах но воздействию лазерного лучения на металлы было показано, что эрозионный лазерный факел может плошать значительную долю излучения, практически прекращая доступ излуче-ія к облетаемому металлу. Однако, первые эксперименты, выполненные на »ерах с небольшой энергией в пучке, давшій лишь качественную картину, кото-ія, к тому же, сильно зависела от геометрии опыта. Необходимость получения щежных численных значений, которые можно было использовать как справочный тгериал, требовала постановки опытов в условиях, когда достаточную плотность пока можно было бы получить при фокусировке излучения в пятно диаметром по >айней мере в несколько миллиметров.
При исследованиях воздействия лазерного излучения на стекла основной зашей было определение причин лазерного разрушения стекол и выяснения харак-рйстик этого разрушения при воздействии лазерными пятнами большою диамег-I Величины порогов разрушения, получаемые на малых пятнах фокусировки и >и малой длительности импульса, оказывались неприменимыми для расчета екдянньгх деталей, предназначенных для работы в лазерном пучке большого іаметра при импульсе значительной длительности. К началу 70-х годов было і вест но, что в эффектах взаимодействия лазерного излучения с веществом очень чцественно проявляє гея т.н: размерная зависимост ь, т.с. зависимость результатов о»«**-™,.«, лт абсолютного размена лазерного пятна. Характер этой зависимо-
1ми стояла задача ггном случае взаи-юобные создавать фокальном пятне гой области также >, достаточную для чина, при которой и потоков, близкие лазере необходимо различных сортов в первую очередь
КНИГА ИМЕЕТ
= I з
В переплетной ед. сое дни. номера вып.
»мерной завис
И IV!иV « г.
С
Л
2
Крупномасштабное воздействие интересно еще и тем, что подавляющее большинство натурных экспериментов по лазерному воздействию проводи* на расстояниях от сотен метров до тысяч километров, и диаметр выходящего лазера пучка, также как и диаметр лазерного пятна на мишени, составляют крайней мере десятки сантиметров. При создании лазерных устройств такого и необходимо знание реакции материалов на облучение их лазерным пятом больи го диаметра.
Задание величины порога лазерного разрушения материала в той облас диаметров пятен, в которой зависимость от диаметра отсутствует, каже гея ир< почтительным и с точки зрения физики процесса. Та часы, размерной зависимое которая не зависит от размера пятна, соответствует свойствам материала как есть, со всеми дефектами и слабыми местами. Поэтому значение порога разруи пия при крупномасштабном воздействии должно являться одним из основн параметров любой теории лазерного взаимодействия.
В области исследований лазерного воздействия на металлы актуальным т< же было проведение работ но определению влияния окружающей атмосфер обладающей из-за присутствия кислорода окислительными свойствами, на лазерн воздейст вие на металлы. Здесь было много актуальных задач.
- ! Іагрев и окисление металла, происходящие при лазерном воздейст вии, и.\
ют свои специфические черты, отличающие окисные пленки, полученные II лазерном воздействии, от окиенмх пленок, полученных другими методами. Тре( валоеь определить, в чем состоит специфика лазерного воздействия, и как характерные черты свойственны окисным пленкам, полученным при лазерн воздействии на металлы.
Проблема создания металлических лазерных зеркал для ИК области сік гра, требовавшая борьбы с ухудшением их качества па воздухе, привела к обнар жению и исследованию режима лазерного воздействия, вызывающего т.н. избир тельное окисление сплавов. Этот эффект был ранее известен при нелазерш способах окисления, однако, примененный'нами к лазерному окислению, обпар жил новые интересные стороны. Режим избирательного окисления позволяет известной мере управлять свойствами получающейся поверхности, одновремеи увеличивая отражательную способность и стойкость к окислению.
Высокая начальная отражательная способность ряда металлов в ИК обд; ти спектра затрудняла решение технологических задач по обработке таких мет* лов путем воздействия на них излучения лазеров этой области спектра. Нсобхо;-мость решения указанной задачи, пути которого были подсказаны нам теорети* скими работами лаборатории А.М.Бонч-Бруевича в ГОИ, привела к эксперим* таль ном у исследованию режима совместного действия импульсного и непрерывт го лазеров с возможностью значительного энергетического выигрыша при досі жении режимов разрушения.
Возвращаясь к прозрачным средам, можно добавить, что когда при и селе; ваниях процесса оптического пробоя в стеклах был разработан метод для регион ции бегущей упругой волны (представляющей собой поверхность группов скоростей упругой волны), было выяснено, что эта тема представляется край актуальной для прозрачных анизотропных сред, в частности - кристаллов,
огорых экспериментальное определение этой поверхности очень грудоем-о. а расчетное представляет значительные вычислительные трудности.
В связи со сказанным представляется, что предложенные исследования име-эт большое практическое значение и весьма актуальны. Это кажется справедли-ым, поскольку перечисленная тематика до настоящего времени не утратила своего начения и числится в утвержденном Президиумом РАН «Перечне приоритетных аиравлений фундаментальных исследований» (проблема 1.3.3. «Фундаментальные .роблсмы взаимодействия излучения с веществом», газета «Поиск» №7 (457) от 3.02.98).
Цель работы
Настоящая работа посвящена систематическому исследованию особенностей азрушеиия и предпорогового поведения (т.е. поведения при плотностях потоков, епосрелствепно предшествующих пороговым) металлов и стекол при крупномас-гтаб]юм воздействии.
Под крупномасштабным здесь понимается такое воздействие, при котором езулътат воздействия перестает зависеть от диаметра воздействующего лазерного ятна (мри постоянстве плотности потока). В большинстве случаев воздействие южно рассматривать как крупномасштабное в указанном выше смысле, если азерное пятно имеет диаметр порядка 0,5 - 1 см.
В большей части экспериментов использовались длительность импульса 1 (иллисекунда. Лазеры на твердом теле именно в таком режиме способны излучить аибольшую энергию за импульс, поэтому лазерное воздействие в режиме, обеспе-иваюшем максимальный энерговклад в мишень, представляло значительный нтерес.
Особенности разрушения металлов при крупномасштабном воздействии свя-анм с выполнением условия т.н. одномерного разлета продуктов разрушения, т.е. словия, когда за время наблюдения т выполняется ОгУт. где О - диаметр лазерно-о пятна на преграде, а V - скорость разлета продуктов эрозии в начальной фазе спарения.
При крупномасштабном воздействии отвод тепла из области поглощения роисходит только перпендикулярно к поверхности, в отличие от точечного оздействия. когда боковой теплоотвод становится решающим. В соответствии с тим нагрев и окисление металлов при крупномасштабном воздействии протекают паче, чем при точечном.
Особенности разрушения стекол при крупномасштабном воздействии связа-ы с наличием т.н. размерной зависимости лучевой прочности стекол (т.е. зависи-юсти лучевой прочности от диаметра лазерного пятна, см. рис. 6): порош разру-зения тем ниже, чем больше диаметр пятна. Поскольку конкретный характер ■азмериой зависимости у каждого сорта стекла свой, то величину порога при юльшом диаметре пятна нельзя предсказать, а можно только получить в результате рупномасштабных экспериментов.
Под предпороговым поведением, как уже говорилось, понимается реакция
потоков, непосредственно предшествующих началу испарения для металлом или пробою для стекол.
Таким образом, целью настоящей работы является выяснение особенностей протекания процессов крупномасштабного воздействия лазерного излучения, плотность которого либо превосходит порог разрушения, либо непосредственно предшествует ему. с металлами и стеклами.
Научная новизна работы определяется тем. что в ходе ее выполнения большинство результатов подучено впервые. К* числу полученных оригинальных результатов относятся:
1 Создание экспериментальной базы, позволяющей проводить эксперименты по крупномасштабному (с размером порядка ! см) воздействию лазерного излучения на конденсированные среды. Экспериментальная база включала в себя стендовый лазер с выходной энергией до 25 кДж с емкостным накопителем на 1,4 МДж, а также измерительный комплекс широкого профиля.
2. Экспериментальное обнаружение экранирования облучаемой лазером металлической преграды в условиях воздействия большим лазерным пятном (порядка 1 см), возникающего при потоках, не превышающих К)7 Вт/см .
3. Экспериментальное обнаружение разрушения металлической преграды излучением экранирующего облака в условиях развитого экранирования
4. . Результаты исследования Состава и структуры окиеных пленок, образующихся на металлах и сплавах при лазерном воздействии, методами рентгеноэлек-тронной спектроскопии, локального рентгеновского анализа, а также дифракции высоко1энергетических электронов. Эти результаты, полученные на установках и с помощью сотрудников Института Физической Химии РАМ (Москва), позволили получить распределение по глубине пленки окислов того или иного состава, а также связать наличие этих окислов с оптическими свойствами всей окисной пленки.
5. Экспериментальное обнаружение эффекта избирательного окисления при лазерном нагреве.
6. С помощью избирательного окисления рабочих поверхностей зеркал, изготовленных из некоторых сплавов (алюминиевой и бершишевой бронз, хромоникелевых сталей), получение роста отражательной способности и одновременно увеличения работоспособности зеркал. Эффект связан с тем. что в процессе избирательного окисления поверхностного слоя сплава элемент, имеющий большее сродство к кислороду (алюминий, бериллий, хром) окисляются и образуют защитную пленку стойкого окисла, не влияющую на оптические свойства из-за своей малой толщины, а поверхностный слой металла оказывается обогащен медью (в бронзах) или никелем (в сталях), что приводит к увеличению отражательной способности.
7. Обнаружение парофазного механизма образования окисной пленки (т.е. окисления металла в паровой фазе с последующим осаждением окисла на поверхность) при окислении некоторых метштлов с помощью нагрева моноимпульсным лазерным излучением в атмосфере.
& Результаты экспериментальных исследований совместного действия импульсного и непрерывного лазерных излучений на поверхность металлической мишени. Обнаружение существенного выигрыша по энерговкладу и по времени
- Київ+380960830922