Механизмы и закономерности формирования эрозионного факела и волнового рельефа на поверхности металлов в зоне воздействия лазерного излучения

• Автор: Кузнецов, Петр Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Явления, возникающие при воздействии лазерного излучения на конденсированные среды
1.1. Возникновение гидродинамических неустойчивостей при различных воздействиях на конденсированные среды
1.1.1. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (неустойчивость тангенциальных разрывов)
1.1.2. Конвективные течения в ванне расплава
1.1.2.1. Термокапиллярное течение в объеме расплава
1.1.2.2. Концентрационная неустойчивость приповерхностных слоев жидкости .
1.1.2.3. Концентрационно-термокапиллярная неустойчивость
1.2. Оптические характеристики процесса взаимодействия лазерного
излучения с поверхностью мишени
1.2.1. Изменение коэффициента поглощения мишени, подвергнутой воздействию лазерного излучения
1.2.2. Режимы горения металлической поверхности в поле лазерного излучения
1.2.3. Колебательные процессы в плазменном эрозионном факеле
1.3. Механизмы нагрева поверхности металлов и образования кратера в различных материалах
1.4. Механизмы удаления материала твердой мишени при воздействии лазерного излучения
1.4.1. Механизмы удаление материала из зоны воздействия излучения
1.4.2. Удаление материла с поверхности полупроводников и металлов (испарение, абляция) при воздействии лазерного излучения
1.5. Роль начальных возмущений поверхности при нагреве мишени и образовании кратера
1.5.1. Влияние неметаллических включений на процесс плавления металлов

1.6. Некоторые механизмы формирования рельефа поверхности металлов после воздействия лазерного излучения
1.6.1. Механизмы возбуждения и регистрация капиллярных волн
Глава 2. Амплитудно-частотные, частотно-временные характеристики
эрозионного факела и механизмы их формирования
2.1. Методика экспериментов
2.1.1. Регистрация свечения эрозионного факела во время воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность
2.2. Результаты экспериментов
2.2.1. Особенности колебаний интенсивности эрозионного факела
2.2.2. Вейвлет-анализ колебаний излучения эрозионного факела
2.2.2.1. Морфология вейвлет-спектра заданного сигнала
22.2.2. Морфология вейвлет-спектра исследуемого сигнала фотоэдс
Выводы
Глава 3. Общие закономерности формирования рельефа в зоне
воздействия лазерного излучения
3.1. Исследуемые материалы
3.2. Методика экспериментов
3.3. Характерные особенности рельефа поверхности металлов при воздействии лазерного импульса
3.3.1. Особенности рельефа в сплаве Бе-Б!
3.3.2. Структурные характеристики сплава Бе-Б! в канале полного проплавления
3.3.3. Оплавление поверхности тугоплавких металлов
3.3.3.1.Особенности рельефа в монокристалле молибдена
3.3.3.2. Особенности рельефа в монокристалле вольфрама
3.4. Эволюция волнового числа рельефа различных материалов при изменении интенсивности падающего лазерного излучения
3.5. Закономерности массопереноса легирующего вещества в ванне расплава
3.6. Влияние покрытия на формирование рельефа кратера

3.6.1. Особенности топологии и морфологии кратера в присутствии поверхностного покрытия на поверхности сплава Fe-Si
3.6.2. Массоперенос на обратной стороне пластины
3.7. Временные характеристики полного проплавления пластины сплава Fe-Si
3.7.1. Временные характеристики полного проплавления без покрытия
3.7.2. Временные характеристики полного проплавления в присутствии покрытия
3.8. Процессы формирования рельефа поверхности металлов при лазерном облучении и явления массопереноса в ванне расплава
3.8.1. Особенности массопереноса в ванне расплава
3.8.2. Объемные колебания ванны расплава
Выводы
Глава 4. Закономерности пространственной эволюции термокапиллярной
неустойчивости и механизм формирования формы канала полного проплавления пластины
4.1. Массоперенос на поверхности кратера сплава Fe-Si
4.2. Механизм массопереноса в объеме расплава сплава Fe-Si
4.3. О механизме формирования волн
4.4. Компьютерное моделирование конвекционных потоков
Выводы
Общие выводы по работе
Список литературы

Подповерхностный нагрев. В работе Ф.В. Дебби (Dabby ) и У. Пика (Раек) [104] был предложен механизм нагрева импульсным лазерным излучением материала с низким коэффициентом поглощения и низкой теплопроводностью. В таких материалах парообразование на поверхности (из-за низкой теплопроводности) эффективно охлаждает зону воздействия лазерного излучения. Благодаря такому механизму температура в ванне расплава сравнительно невысока.
Все выше перечисленные механизмы удаления материала основаны на так называемой тепловой модели лазерной абляции.
При рассмотрении удаления материала в металлах есть основание выделить работу [105], в которой сообщалось об особенностях удаления материала мишени над водой при ~10*° Вт-см’2 и длительностью в десятые доли миллисекунды. Выяснилось, что пластины металлических образцов в воде эффективно проплавляются под точкой фокуса лазерного пучка, тем временем как на воздухе, наоборот - над точкой фокуса. Так же различны удельные энергии формирования сквозного кратера (полного удаления материала): наблюдается увеличение удельной энергии при проплавлении под водой (8 мм под поверхностью жидкости) в 2-3 раза, это связано с дополнительным поглощением лазерного излучения в воде. Тем не менее, диаметр кратера, при облучении под водой увеличивается. Авторы объясняют это тем, что под действием резкого нагрева происходит испарение воды, что влечет за собой появление кавитации. При схлопывании пузырьков на облучаемую поверхность действует высокое давление, при этом с поверхности мишени выброс материала происходит более эффективно.
Теоретическое рассмотрение термических процессов в ванне расплава в течение действия лазерного импульса было исследовано многими авторами, но одним из первых значительный вклад в 70-х годах в решение этих вопросов был сделан С.И. Анисимовым (например [106]).
Используя уравнение Клаузиуса-Клапейрона, Т. Деброй с соавторами, теоретически [107] и экспериментально [108] показал, что температура в центре кратера значительно превышает точку кипения. В своей работе [108] Т. Деброй с