- •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).
Контрольные вопросы к разделу 2
В чем суть механического механизма низкотемпературного разрушения хрупких материалов?
Почему при термораскалывании стекол разрушение происходит с запаздыванием по отношению к положению сканируемого пятна лазерного излучения?
Оцените плотность мощности излучения СО2-лазера и скорость движения лазерного пятна, при которых произойдет термораскалывание кварцевой пластины, (используйте данные раздела 2.1.1).
Почему наибольшую опасность при лазерной обработке представляют остаточные напряжения?
Как максимальная величина остаточных напряжений зависит от времени облучения?
В чем отличие в подходах диффузионной и кинетической моделей твердофазного разложения материала?
Какова причина развития химической неустойчивости при диффузионном представлении? При кинетическом рассмотрении?
Почему температура неустойчивости гораздо сильнее зависит от длительности импульса в кинетической модели по сравнению с диффузионной?
В чем суть поляритонного механизма образования поверхностных периодических структур при лазерном облучении металлов?
Когда скорость испарения при стационарной температуре испарения достигает своего максимального значения?
Качественно опишите варианты выхода процесса на стационарный режим испарения в зависимости от плотности лазерного излучения.
Почему во временной зависимости скорости стационарного.лазерного испарения присутствует точка перегиба?
Что учитывает упрощенная феноменологическая модель двухфазного разрушения?
С какой максимальной скоростью разлетается пар в приближении одноатомного газа в результате микросекундого лазерного воздействия на металл?
Почему оптический пробой возникает вблизи поверхности испарения в области фокусировки лазерного луча?
0. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
В 1 части рассмотрено распространение излучения в прозрачных средах. Однако известно, что под действием лазерного излучения прозрачные среды могут разрушаться. Катастрофическое развитие повреждения, возникающего при действии лазерного излучения на прозрачную для излучения среду, называют оптическим пробоем. Оптический пробой ограничивает предельные значения энергии и мощности лазерного излучения, которые можно получить с одного активного элемента. Системы транспортировки и формирования лазерного излучения в технологических установках также состоят из прозрачных линз, призм и других оптических элементов, а излучение распространяется в воздухе, поэтому разрушение этих элементов и пробой воздуха также накладывают ограничения на энергию и мощность излучения.
Разрушения, возникающие в прозрачных твердых телах под действием лазерного излучения, целесообразно разделить на разрушения, возникающие в идеально чистых средах, и разрушения, обусловленные различного рода дефектами структуры и примесями, поскольку в этих случаях различны механизмы развития оптического пробоя. В чистой среде – это оптический пробой, качественно аналогичный электрическому пробою в газах, в средах с дефектами и примесями – разрушения, связанные с локальным нагревом при поглощении излучения на неоднородностях. Пробой в газах, являясь нелинейным эффектом, зависит от мощности излучения, а нагрев неоднородности – в основном от энергии излучения. Следует отметить, что на практике обычно реализуется тепловой механизм оптического пробоя, так как идеально чистых прозрачных материалов в природе не существует. Наблюдаемая на опыте сильная размерная зависимость порога оптического пробоя, имеющая место во всем интервале используемых в экспериментах длин волн и длительностей импульсов, получила чисто статистическое обоснование.