- •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).
1.4. Лазерное испарение
Теоретические модели, описывающие поверхностное разрушение металлов под действием лазерных потоков в диапазоне плотностей потоков ~ 106 -107 Вт/см2 за счет испарения, развиты в работах С.И. Анисимова. В рамках тепловой теории испарения механизмы разрушения материала принципиально не различаются, происходит ли отрыв атомов от атомарно гладкой локально плоской поверхности расплава (испарение), или от заведомо обладающей рельефом сравнимым с размерами атома поверхности твердого тела (возгонка или сублимация). При испарении из расплава можно считать, что работа вылета атома не зависит от его положения на поверхности. При сублимации поверхность тела очень неоднородна, что требуется учитывать.
1.4.0. Кинетика испарения плоской поверхности
С физической точки зрения испарение (отрыв атома от поверхности) происходит тогда, когда атом обладает энергией, большей энергии связи атомов в твердом теле. При испарении атома его кинетическая энергия частично или полностью переходит в потенциальную энергию разорванных связей ионов, то есть при испарении тело остывает. Для поддержания постоянной температуры требуется постоянный подвод энергии. Испарение – фазовый переход первого рода, для его протекания требуются затраты энергии испарения . Испарившиеся атомы движутся хаотично. Часть из них может вернуться на поверхность тела, возвратив ему энергию . В том случае, когда испарившиеся атомы не могут (при испарении в замкнутый объем) или не успевают (при интенсивном испарении) покинуть приграничный объем, наступает момент, когда число испарившихся атомов становиться равным числу атомов возвратившихся на поверхность испарения, пар становится насыщенным. Давление насыщенного пара зависит от температуры и свойств расплава (твердого тела при сублимации). С увеличением температуры давление насыщенного пара увеличивается, а энергия испарения уменьшается. При увеличении температуры возможно достижение состояния, когда энергия испарения становится равной нулю.
1.4.0.0. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
При давлении окружающей среды, в которую вылетают испаряющиеся атомы, мм. рт. ст. можно считать, что испарение с поверхности происходит в вакуум. Если энергия атома, подошедшего к границе больше энергии связи ( ), то атом оторвется от поверхности. В случае больцмановского распределения атомов по энергиям вероятность отрыва атома в единицу времени от поверхности при температуре будет ( – частота колебаний атома). Отсюда скорость испарения:
- постоянная решетки, , .
Более точная формула (так как на самом деле атомы колеблются не только перпендикулярно поверхности и т.д.):
, (1.24)
,
- средняя скорость звука в твердом теле ( , , - поперечная и продольная скорости звука) - молекулярный (атомный) вес, - универсальная газовая постоянная, - основание натурального логарифма.
Соотношение (1.24) справедливо для идеального газа в температурном диапазоне ~ 7000 - 10000° К. При более высоких температурах скорость испарения определяется формулой Френкеля:
, (1.25)
где – скорость, по порядку величины близкая к скорости звука в металле. Для дебаевской модели решетки
.
С учетом того, что для некоторых атомов с энергией возможна конденсация, истинная скорость испарения равна
,
где – скорость конденсации пара.
При испарении в вакуум зависит от , следовательно, .
При испарении в воздух (среду с противодавлением) картина получается совсем другая. При ( - температура кипения, температура при которой давление насыщенного пара равно атмосферному), когда концентрация пара мала по сравнению с концентрацией молекул воздуха, отток испарившихся атомов от поверхности испарения определяется их диффузией и конвекцией. Поэтому концентрация пара вблизи поверхности близка к концентрации насыщенного пара, то есть , . При концентрация испарившихся атомов становиться больше концентрации молекул воздуха, поэтому ситуация быстро приближается к той, которая была при испарении в вакуум.