0.1. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев

0.1.0. Термомеханические эффекты

В результате поглощения лазерного излучения в материале могут возникать волны сжатия. Один из механизмов, приводящих к возникновению таких волн, связан с испарением материала с поверхности образца, в результате чего нагретый материал получает импульс отдачи, направленный от поверхности в глубь материала. Импульс, передаваемый облучаемому образцу, был измерен во многих экспериментальных исследованиях, в которых использованы в основном мощные лазеры. В этом случае с поверхности удаляется значительное количество материала.

Удельный импульс, который определяется как отношение передаваемого механического импульса к энергии лазерного импульса, оказывается значительно больше импульса, который может быть передан маятнику за счет эффекта отражения фотонов (пондеромоторный эффект). Из результатов экспериментов (рис. 0.3) следует, что для каждого материала существует оптимальная плотность мощности лазерного излучения, при которой удельный импульс максимален. Если плотность мощности меньше оптимальной, то увеличивается доля энергии на теплопроводностные потери. Если же плотность мощности оказывается выше оптимального значения, то часть лазерной энергии поглощается парами материала, в результате чего передаваемый импульс оказывается меньше, чем в случае, когда это же количество энергии затрачивается для испарения большого количества материала.

В экспериментах исследуется зависимость изменения передаваемого образцу импульса от плотности мощности лазерного излучения по отклонению простого маятника в виде сферы из исследуемого материала, подвешенной на нити в вакуумной камере, на которую фокусировали излучение рубинового лазера.

Пиковые давления, достигнутые в металлических материалах, которые облучались импульсами мощных лазеров на стекле с неодимом, работающих в режиме модуляции добротности, составляют десятки килобар. Импульс давления может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать откол на обратной поверхности тонких металлических листов.

Рис. 0.3. Удельный импульс, передаваемый различным металлам в зависимости от мощности импульса рубинового лазера, работающего в режиме модуляции добротности при постоянном размере области облучения

Возникающий при испарении импульс давления может приводить к возбуждению в облучаемом веществе звуковой волны.

Для испарения необходимо, чтобы энергия, подводимая к материалу, была больше, чем удельная скрытая теплота испарения . Время начала процесса испарения зависит от соотношения энергии, необходимой для испарения и мощности поглощенного излучения

. (0.15)

Из (0.15) следует, что увеличение мощности излучения уменьшает время, за которое устанавливается режим испарения. Схематически картина поверхностного испарения изображена на рис. 0.4.

Разлетающиеся молекулы жидкости имеют импульс, направленный в среднем нормально к поверхности жидкости, по этой причине импульс отдачи, возбуждающий деформации в жидкости, так же направлен перпендикулярно к поверхности в глубь объема. Максимальное давление в жидкости при условии, что жидкость не нагревается выше критической температуры, можно оценить из соотношения:

,

где — испаренная масса, — время установления процесса испарения,  — скорость движения волны сжатия, — расстояние от поверхности, — скорость истечения пара.

Очевидно, энергия световой волны, перешедшая в энергию звуковой волны, растет при увеличении поглощения световой волны в среде. Поэтому коэффициент трансформации максимален при оптическом пробое.

Другой механизм возбуждения звуковых волн в среде основан на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), т.е. явлении рассеяния световых волн на тепловых упругих волнах (см. раздел 3).

Рис. 0.4. Схема процесса возбуждения звука в жидкости при ее испарении с поверхности за счет поглощения лазерного излучения: 1 —лазерный пучок; 2 — испаряемый объем; 3 — разлетающийся пар: 4 — волна сжатия в жидкости

При любом механизме генерации акустических волн, как за счет локального нагревания и испарения, так и за счет вынужденного рассеяния на неоднородностях показателя преломления, звуковая волна может сама по себе приводить либо к разрушению среды, если амплитуда звуковой волны больше предела упругости материала, либо к уменьшению интенсивности поглощенного лазерного потока вследствие перекачки его энергии в звуковые колебания среды.

Механические напряжения при неравномерном нагреве

К появлению механических напряжений в материале может привести его неравномерное нагревание. Это обусловлено свойством тела увеличивать свой объем при нагревании, чему препятствует холодный массив тела, возникают напряжения. Термические напряжения тем больше, чем больше перепад температур при локальном нагревании и чем больше коэффициент термического расширения материала.

Напряжения, возникающие при локальном лазерном нагревании, можно характеризовать тензором напряжений. В цилиндрической системе координат его нормальные компоненты - . и . Сжимающие напряжения являются отрицательными, а растягивающие положительными.

В первом приближении можно считать, что при локальном нагревании на поверхности напряжения = 0. Решение соответствующей задачи термоупругости позволяет вычислить радиальные и азимутальные напряжения на поверхности среды и вдоль оси симметрии (см. рис. 0.5).

Рис. 0.5. Стационарное распределение температуры и напряжений в полупространстве при подводе тепла через круг радиуса , - радиальная координата поверхности; - координата, направленная в глубь материала.

Видно, что напряжения повсюду сжимающие: установившееся температурное поле кругового поверхностного источника тепла достаточно медленно изменяется в пространстве и собственное тепловое расширение среды в любой ее точке приводит, вследствие упругой реакции окружающего материала, к таким сжимающим усилиям, которые превосходят растягивающие усилия со стороны более нагретых областей. Максимальные напряжения возникают в центре зоны облучения.

Предельные термические искажения плоской металлической поверхности, нагреваемой непрерывным излучением, сводятся к тому, что эта поверхность в пределах всей равномерно освещаемой круговой площади принимает форму выпуклой сферы с радиусом кривизны поверхности

,

где - коэффициент линейного расширения; - коэффициент Пуассона. Оценка радиуса кривизны деформированной поверхности показывает, что при ~0,1 см, 0,5 см.

Такая локальная деформация поверхности может приводить к изменению индикатрисы отражения металлических зеркал при наличии оптических неоднородностей на поверхности.

Пусть на поверхности зеркала с поглощательной способностью есть неоднородность радиуса с поглощательной способностью . Температуру поверхности зеркала внутри неоднородности можно оценить как температуру, до которой нагреется полупространство с поглощательной способностью поверхности при действии равномерно распределенного лазерного потока с плотностью мощности (см. раздел 0.2.2) плюс температура локального перегрева неоднородности :

Перегрев неоднородности можно оценить как температуру, до которой нагреется малая область радиуса при действии поглощенного потока

.

Относительный перегрев неоднородности составит

,

при относительный перегрев будет:

.

При малых значениях , что характерно для металлических зеркал, перегрев может достигать значительных величин (в десятки раз).