1.5. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения

Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью материала в случае, когда плотность мощности лазерного излучения достаточна для развития интенсивного испарения, приводит к интенсивному движению паров материала и к взаимодействию их с падающим световым потоком, которое может существенно изменить условия попадания света на поверхность вследствие эффекта экранировки.

Действительно, при воздействии лазерного потока на поверхность конденсированного тела, газ, образующийся в результате испарения, расширяется в окружающее пространство. Как мы уже отмечали, скорость испарения вещества определяется двумя процессами: уходом атомов (молекул) с поверхности из-за теплового движения и возвращением их обратно в результате столкновений в газовой фазе, сопровождающихся потерей энергии. (При начальных стадиях испарения плотность пара у поверхности мала, столкновения редки и возвращением атомов на поверхность (конденсация) можно пренебречь.)

В связи с этим весьма важна проблема разлета испарившихся молекул или атомов вблизи поверхности стационарного испарения, поскольку именно приповерхностное облако пара определяет условия попадания лазерного излучения на гетерофазную границу.

Для простоты описания процесса испарения будем считать, что испарение происходит на всей поверхности, испарившиеся атомы (молекулы) разлетаются в телесном угле 2π, а их распределение по скоростям описывается законом Максвелла

,

где - модуль скорости атома или молекулы, – ее масса, – общее число молекул в газовой фазе, – температура пара, которая всегда несколько ниже температуры поверхности , так как часть кинетической энергии частицы пара идет на удаление ее от поверхности испарения.

За счет столкновений между молекулами в приповерхностном слое пара происходит обмен энергиями между ними и на расстоянии ( – длина свободного пробега в вакууме), формируется равновесное распределение частиц в паровом облаке. Это означает, что фронт разлетающихся частиц удаляется от поверхности испарения со скоростью .

Как известно, этот слой называется кнудсеновским, именно в этом слое в результате столкновений частиц устанавливается новое состояние пара, характеризующееся изотропной функцией распределения, отличной от максвелловской.

С хорошим приближением можно положить

,

где показатель адиабаты, определяемый отношением молекулярных теплоемкостей пара при постоянном давлении и постоянном объеме , – молекулярная масса, – скорость звука в газовой среде. При этом по отношению к своей температуре разлетающийся пар всегда перенасыщен, т.е. склонен к конденсации.

Для одноатомного газа это приводит к тому, что около 20% вылетевших частиц возвращается обратно, снижая тем самым истинную скорость испарения. Физически, это означает, что, наличие приповерхностного пара снижает удельную теплоту парообразования

,

где – удельная теплота парообразования в вакууме, – плотность пара вблизи поверхности. В нулевом приближении скорость стационарного перемещения фронта испарения можно определить как . При Вт/см², Дж /см³ оценка дает м/с. При длительности лазерного импульса с фронт испарения может переместиться на глубину м. Физически это означает, что металл испаряется как бы скин-слоями.

Проследим дальнейший разлет молекул пара, по-прежнему, считая его идеальным и расширяющимся адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой. Распределение частиц в паре в этом случае описываются уравнениями газодинамики, основанными на законах сохранения числа частиц, импульса и энергии:

(1.39)

где – плотность пара, – давление, – показатель адиабаты, - молекулярный вес. Введя параметр , интересующее нас решение системы (1.39) можно получить в виде (рис. 1.13)

Рис. 1.13. Зависимость параметров пара как функции расстояния от поверхности испарения

Можно определить расстояние, на которое разлетелись молекулы пара за время

.

Считая пар одноатомным газом, оценим этот параметр, положив м/с, с, тогда м. Для одноатомного газа

м/с.

Мы рассмотрели условия разлета пара в случае, когда испаряемый материал находится в вакууме. При испарении в воздух модель разлета несколько усложняется, так как необходимо учитывать движение границы пар-воздух, вблизи которой образуется слой сжатого воздуха, движущийся с некоторой скоростью , и который воспринимает механическое возмущение и реагирует на него. В этих условиях зависимость и несколько иная (рис. 1.14).

В области на процессы разлета не сказывается наличие воздуха, начиная с расстояний скорость разлета и температура стабилизируется, в области наблюдается стационарная волна разряжения. При этом

где – показатели адиабаты для пара и воздуха, – плотность пара и воздуха, соответственно.

Рис. 1.14. Зависимость и от расстояния в случае разлета пара в воздух

В области скорость движения фронта разлета не изменяется, в то время как вследствие сжатия воздуха его температура скачкообразно возрастает до величины , для ряда случаев она столь велика, что могут возникнуть условия для возникновения низкопорогового оптического пробоя в газе

.

На расстоянии фронт ударной волны, перед которым находится невозмущенный воздух, движется со скоростью . Очевидно, что толщина сжатого воздуха .

Оптический пробой, возникающий вблизи поверхности испарения в области фокусировки лазерного луча, приводит к образованию низкотемпературной плазмы

.

При этом возможно сильное поглощение лазерного потока (эффект экранировки) в плазменном факеле в основном вследствие протекания трех процессов: а) поглощения световой волны связанными электронами, линии поглощения этих переходов очень узки, но сечения поглощения весьма велики ; б) поглощение света электронами, слабо связанными с атомами; в) поглощение световой волны свободными электронами в полях атомов и ионов, сечение таких переходов невелико и неселективно по спектру. В низкотемпературной плазме основной вклад в поглощение вносят процессы, связанные с фотоэлектрическим поглощением и тормозным поглощением.

Суммарный коэффициент поглощения лазерного пучка определяется формулой Крамерса – Унзольда

,

где – заряд электрона; – кратность ионизации атомов пара; – потенциал ионизации; – температура плазмы (пара); – частота лазерного излучения; – концентрация атомов в плазме.

Для оценки температуры приповерхностной плазмы можно воспользоваться приближенной формулой

,

где – температура поверхности; – температурный градиент вблизи поверхности испарения.

В частности, для излучения лазера на ИАГ (λ=1.06 мкм), м.

Оптическая толщина поглощающего слоя вследствие сильной экспоненциальной зависимости коэффициента поглощения от температуры, невелика и основную роль в сильном резонансном поглощении света играют пары, непосредственно прилетающие к поверхности испарения

( , а – геометрическая толщина плазменного облака).

Заметная толщина приповерхностной плазмы и ее значительная оптическая плотность наблюдается лишь при высоких интенсивностях (q> 10⁸ Вт/см²). Для металлов же при плотностях потока лазерного излучения q ~ 10⁶ Вт/см² коэффициент поглощения пара оказывается весьма малым. Пар, образующийся при стационарном режиме испарения металла, настолько прозрачен, что дополнительный нагрев его лазерным излучением отсутствует.

Однако оптический пробой вблизи поверхности, особенно при обработке материалов в среде посторонних газов (азот, гелий и т.д.), весьма вероятен. Физически этот процесс начинается на флуктуациях, которые могут образоваться на некотором расстоянии от поверхности, а температура их несколько повышена. В этом слое возрастает поглощение лазерного излучения. Слои с повышенной температурой расширяются в обе стороны до тех пор, пока их положение не станет устойчивым, то есть в среде пара устанавливается оптический разряд. При этом за счет плазменной экранировки поверхности тела энергия лазерного излучения расходуется не только на нагрев тела, но и на поддержание оптического разряда.

При плотностях мощности ~ 10⁷ Вт/см² в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра режим чистого испарения (без оптического пробоя) реализовать практически нельзя. Отметим также, что экранировка поверхности испарения от лазерного потока может происходить не только за счет образования плазмы вблизи поверхности, но и за счет частиц твердой и жидкой фаз, образующихся при конденсации переохлажденного пара.