Фазовый переход жидкость-пар в условиях сильного перегрева при наносекундном лазерном воздействии

• Автор: Андреев, Степан Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил.

1 Обзор литературы
1.1 Бинодаль, спинодаль, критическая точка
1.2 Метастабильность при фазовом переходе жидкость - пар
1.3 Особенности процесса испарения конденсированного вещества при лазерном воздействии
2 Моделирование объемного вскипания при лазерном облучении поглощающих конденсированных сред.
2.1 Постановка задачи в полупространстве при свободном испарении
2.2 Оценка начальной температуры в паровой полости
2.3 Граничные условия в паровой полости
2.4 Анализ результатов численного моделирования
2.5 Возможные проявления эффекта просветления при лазерном испарении металлов
2.5.1 Стационарный и полустационарный режимы
2.5.2 Оценка влияния интерференционных эффектов
2.5.3 Влияние просветления на фотоакустический сигнал
2.6 Основные результаты Главы
3 Моделирование взрывного вскипания прозрачной жидкости на импульсно нагреваемой подложке
3.1 Вскипание тонкой пленки прозрачной жидкости на импульсно
нагреваемой подложке
3.2 Фотоакустический сигнал в поглощающей мишени при наличии
на ее поверхности слоя прозрачного вещества
3.3 Анализ условий взрывного вскипания прозрачной жидкости на
импульсно нагреваемой подложке
3.4 Основные результаты Главы
4 Влияние теплофизических и оптических свойств вещества на устойчивость фронта лазерного испарения
4.1 Постановка задачи
4.2 Испарительные граничные условия
4.3 Дисперсионное уравнение для возмущений фронта испарения
4.4 Численный анализ дисперсионного уравнения
4.5 Основные выводы Главы
Заключение
Литература

Воздействие лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды активно исследуется более пятидесяти лет. Первые публикации по этой проблеме появились вскоре после создания лазеров [1,2]. В последние годы интерес к данному направлению исследований продолжает возрастать в связи с широким использованием лазеров в различных областях науки и техники.
При воздействии на вещество наносекундных лазерных импульсов с интенсивностью I < 109 Вт/см2 основную роль играют процессы, связанные с динамикой фазовых переходов и поведением конденсированной среды. Фазовые переходы, индуцированные лазерным излучением, лежат в основе множества передовых технологий и методов в таких областях как, например, лазерная обработка материалов, масспектрометрия, лазерная медицина. Теория неравновесных фазовых переходов при лазерном воздействии представляет также самостоятельный физический интерес.
При воздействии импульсного лазерного излучения фазовые переходы первого рода в конденсированных средах в основном протекают неравновесным образом [3]. Качественной особенностью таких переходов является возникновение перегретых метастабильных состояний вещества, устойчивых по отношению к малым изменениям термодинамических параметров, но распадающихся при возникновении в веществе критических зародышей конкурирующей фазы [4]. В случае значительных перегревов метастабильного вещества критический зародыш новой фазы возникает спонтанно, за счет тепловых флуктуаций среды. Такой процесс носит название гомогенной нуклеации. В области абсолютной термодинамической неустойчивости
лазерного импульса с длительностью 27о = 10 нс. При /о < 185 МВт/см2 температура предельного перегрева не достигается. Поведение Руар(£) для этого случая (70 = 180 МВт/см2) изображается пунктирной кривой. При /о = 190 МВт/см2 (штриховая линия) спустя 1.5 не после момента времени 7 = 2<0 максимальная температура достигает значения 7ц,, на глубине Л = 0.017 мкм происходит взрывное вскипание, сопровождаемое резким ростом давления отдачи от начального значения Ртр = 0.5677,(7)) = 470Бар на свободной поверхности до Ртах = Т7(7’(д) = 960 Бар на внутренней границе образующейся полости. В соответствии с уравнением (2.17) после этого происходит быстрое увеличение скорости отлета пленки Vf от ее начального значения V/ — 0 и ширины полости от ее предполагаемого начального значения Н = 10_3 мкм.
Ъ П8
Рис. 2.5 Поведение давления отдачи Р„ар(7) для мишени с коэффициентом поглощения а = 105 слГ1 при различных интенсивностях: 1о = 180 МВт/см (штрихованная кривая), 10 = 190 МБт/сл!2 (пунктирная кривая), /о = 195 МВт/см2 (сплошная кривая). Штрих-пунктирная кривая определяет интенсивность лазерного импульса в условных единицах.
Как уже отмечалось выше, в рамках используемого подхода не