Исследование крупномасштабного воздействия лазерного излучения на металлы и стекла

• Автор: Гагарин, Андрей Петрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 38 с. : ил.; 20х14 см

Актуальность темы
Лазерное разрушение металлов и прозрачных диэлектриков привлекало внимание исследователей практически с момента появления мощных твердо!ельных лазеров. Работы по этой тематике появились через год - другой после появления лазеров и продолжаются до сих пор. Интерес к этой проблеме связан, с одной стороны, с необходимостью выяснения принципиальных вопросов физики взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, а с другой стороны - с практическими приложениями в технологических задачах лазерной обработки, а 1 акже, применительно к прозрачным средам, с потребностью в оптических материалах. пригодных для создания лазерных систем, отвечающих требованиям высокой мощности и надежности.
При лазерном разрушении металлов на первой сталии исследований наибольший интерес представляли величины порога испарения и эффективности воздействия на металл. Уже в самых первых работах по воздействию лазерного излучения на металлы было показано, что эрозионный лазерный факел может поглощать значительную долю излучения, практически прекращая доступ излучения к облучаемому металлу. Однако, первые эксперименты, выполненные на талерах с небольшой энергией в пучке, давали лишь качественную картину, которая, к тому же, сильно зависела от геометрии опыта. Необходимость получения надежных численных значений, которые можно было использовать как справочный материал, требовала постановки опытов в условиях, когда достаточную плотность потока можно было бы получить при фокусировке излучения в пятно диаметром по крайней мере в несколько миллиметров
При исследованиях воздействия лазерного излучения на стекла основной загачен было определение причин лазерного разрушения стекол и выяснения характеристик этого разрушения при воздействии лазерными пятнами большого диамет-эа. Величины порогов разрушения, получаемые на малых пятнах фокусировки и три малой длительности импульса, оказывались неприменимыми для расчета ;текЛянных детатей, предназначенных для работы в лазерном пучке большого тиаметра при импульсе значительной длительности. К началу 70-х годов было овестно, что в эффектах взаимодействия лазерного излучения с веществом очень существенно проявляется т.н. размерная зависимост ь, т.с. зависимость результатов —"нмодействия от абсолютного размера лазерного пятна, Характер этой зависимо-"ТГЧлыл известен только в общем виде. Перед исследователями стояла задача юлить конкретный вид этой зависимости в каждом конкретном случае взаи-
Э.СТВИЯ. Для этого было необходимо иметь лазеры, способные создавать ость мощности, превышающую пороги разрушения, в фокальном пятне «;'тотельного диаметра. Получение достоверных данных в этой области также
- 'вало постройки лазера, излучающего в импульсе энергию, достаточную для
чтобы на фокальном пятне около 1 см в диаметре (величина, при которой
- тарные эффекты уже мало существенны) создавать плотности потоков, близкие
’|льной лучевой прочности оптических стекол. На таком лазере необходимо довести цикл работ по измерению лучевой прочности различных сортов
> стекол и исследованию их основных характеристик, в первую очередь -эазмерной зависимости.
Крупномасштабное воздействие интересно еще и тем, чту подавляющее большинство натурных экспериментов по лазерному воздействию проводите на расстояниях от сотен метров до тысяч километров, и диаметр выходящего и лазера пучка, также как и диаметр лазерного пятна на мишени, составляют п крайней мере десятки сантиметров. При создании лазерных устройст в такого тип необходимо знание реакции материалов на облучение их лазерным пятном больше . го диаметра.
Задание величины порога лазерного разрушения материала в той облает: диаметров пятен, в которой зависимость от диаметра отсутствует, кажется пред почтительным и с точки зрения физики процесса. Та часть размерной зависимой! которая не зависит от размера пятна, соответствует свойствам материала как от есть, со всеми дефектами и слабыми местами. Поэтому значение порога разруше кия при крупномасштабном воздействии должно являться одним из основны параметров любой теории лазерного взаимодействия.
В области исследований лазерного воздействия на металлы актуальным так же было проведение работ по определению влияния окружающей атмосферы обладающей из-за присутствия кислорода окислительными свойствами, на лазерно воздействие на металлы. Здесь было много актуальных задач.
- Нагрев и окисление металла, происходящие при лазерном воздейст вии, име ют свои специфические черты, отличающие окисные пленки, полученные прт лазерном воздействии, от окисных пленок, полученных другими методами. 1’ребо валоеь определить, в чем состоит специфика лазерного воздействия, и каки характерные черты свойственны окисным пленкам, полученным при лазерным .воздействии на металлы.
Проблема создания металлических лазерных зеркал для ИК области спек тра, требовавшая борьбы с ухудшением их качества на воздухе, привела к обнару жению и исследованию режима лазерного воздействия, вызывающего т.н. избира тельное окисление сплавов. Этот эффект был ранее известен при нелазерны способах окисления, однако, примененный'нами к лазерному окислению, обнару жил новые интересные стороны, Режим избирательного окисления позволяет известной мере управлять свойствами получающейся поверхности, одновременн увеличивая отражательную способность и стойкость к окислению.
Высокая начальная отражательная способность ряда металлов в ИК облас ти спектра затрудняла решение технологических задач по обработке таких метал лов путем воздействия на них излучения лазеров этой области спектра. Необходи мость решения указанной задачи, пути которого были подсказаны нам теоретике скими работами лаборатории А.М.Бонч-Бруевича в ГОИ, привела к эксперимен сальному исследованию режима совместного действия импульсного и непрерывке го лазеров с возможностью значительного энергетического выигрыша при достг женин режимов разрушения.
Возвращаясь к прозрачным средам, можно добавить, что когда при исследс ваниях процесса оптического пробоя в стеклах был разработан метод для регистр, ции бегущей упругой волны (представляющей собой поверхность групповы скоростей упругой волны'), было выяснено, что эта тема представляется крайн актуальной для прозрачных анизотропных сред, в частности - кристаллов, дл
сазалось существенно ниже тех величин, которые получались из измере-4й порога, проводившихся на малых пятнах.
4.2 Спектральные исследования процесса лазерного разрушения стекла длинным ипульсом (10' с) показали, что процесс разрушения носит чисто термический фактор. Каких-либо предпробойных явлений, связанных с уменьшением ширимы шрешенной зоны, либо с фотоэффектом, либо с другими процессами, которые огли бы сказат ься па спектральных характеристиках стекла, не обнаружено.
4.3 Измерения размерной зависимости лучевой прочности большой группы оп-тческих стекол при различных температурах показали, что лучевая прочность голь ко-нибудь существенно зависит от температуры только при малых диаметрах гзерных пятен, уменьшаясь в 3 - 4 раза при нагреве до 725К при лазерном пятне таметром 50 мкм. Увеличение размера пятна до 500 мкм и более приводит к сутстнию температурной зависимости лучевой прочности стекол.
4.4 При воздействии на поверхность оптического стекла лазерного пучка боль-ого сечения (порядка 1 см) поверхностные разрушения стекла начинаются в дельных точках, не привязанных к наиболее интенсивным областям лазерного пна. Интенсивное испарение материала стекла из этих точек приводит к появле-1Ю облаков испаренного материала, расширяющихся с дозвуковой скоростью (10 50 м/с). Развитие пробоя и появление факела начинаются всегда из области шествовании облака испаренного материала. Таким образом, показано, что юбой стекла начинается с процессов, развивающихся в локальных областях эверхности стекла.
4.5 Оптический пробой поверхности либо объема стекла приводит к тому, что в уьеме стекла возникают акустические колебания, существующие сотни микросе-/нд и имеющие частоту порядка 1 Мегагерца. Амплитуда этих колебаний, по >убым оценкам, составляет величину порядка десятков бар. Колебания регистри-звались с помощью метода фотоупругости либо теневого метода
4.6 Зарегистрированы бегущие сферические звуковые волны в объеме оптиче-сих стекол при малых временах задержки между импульсами инициирования и мисграции звуковых волн, когда эти волны еще не достигают границ образца збо испытывают не более одного отражения от границ.
4.7 Возможность регистрации формы фронта бегущей звуковой волны исполь->ваиа для получения поверхности групповых скоростей упругих волн в кристал-
1.x. Это позволило за один импульс получать фотографию указанной поверхности.
Заключение
Результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными за-зчами. сводятся к следующему:
I. Создан лазер и измерительный комплекс к нему, позволяющие прово-ить исследования воздействия лазерного излучения на конденсированные среды с арактерным масштабом воздействия порядка сантиметра. В режиме свободной гнерации этот лазер ФЛ-4 способен излучать до 25 кДж при длительности импуль-а 1 мс. Возможность проводить эксперименты такого масштаба впервые позволила пределять пороговые величины того или иного лазерного воздействия (разруше-