Уменьшение отражательной способности материалов под действием лазерного излучения

Этот эффект, возникающий в течение воздействия потока излучения на мишень, был экспериментально обнаружен для металлов.

График изменения коэффициента отражения от мишени в пределах t_имп..

Область быстрого изменения коэффициента отражения (ab) связывается с началом процесса нагрева, а затем поверхностного плавления материала. После образования жидкой фазы наблюдается горизонтальный участок (bc), который указывает на постоянство температуры слоя. В пределах данного участка энергия затрачивается на распространение волны плавления вглубь материала. Слой расплавленного металла на поверхности мишени, начиная с этого момента (c) начинает интенсивно разогреваться, что вызывает дальнейшее падение отражательной способности. Начиная с точки d вследствие падения интенсивности света лазерное облучение не компенсирует расходы на нагрев и коэффициент отражения начинает свое восстановление к исходной для ненагретой мишени величине.

Плотность падающего потока и зависимость R (t) на участке ab может быть представлена линейными функциями:

Следовательно поглощенный поток на участке ab равен:

Тогда используя (1-11") и предварительно сделав предельный переход , получаем для приращения температуры:

Поскольку режим СГ характеризуется последовательностью хаотических по временному интервалу и амплитуде импульсов, то рассматривая отдельный импульс следует учитывать остаточный нагрев предыдущими. Для простоты будем считать, что последовательность пичков содержит некий средний период, а пички приблизительно равны по амплитуде. Тогда начальную для процесса воздействия отдельного пичка температуру оценим из тех соображений, что расстояние между соседними импульсами порядка 4 мкс, температура к моменту начала импульса падает относительно максимальной в предыдущем импульсе на 70-80 %. Промежуток времени t ₂ оценим из тех соображений, что практически вся подводимая в пределах этапа ab энергия тратится только на плавление, т.е. на осуществление фазового перехода в объеме мишени. Скорость волны прогрева u_т падает к окончанию пичка. Учет удельной теплоты плавления l_пл. приводит к замедлению скорости волны плавления, поскольку энерговклад в разогрев и, соответственно, в распространение расплавленной области несколько уменьшается.

Оценим эти скорости. Они приводят к следующей оценке для скорости движения температурного фронта (скорость волны прогрева):

А для оценки скорости движения волны плавления определим ее как отношение известной плотности поглощаемого потока излучения к удельным энергетическим затратам на плавление материала:

Здесь I _bc – средняя плотность потока в течение времени t ₂.Будем также считать, что u_пл. во времени не изменяется. Исходя из того, что K_жид. >> K_тт, можно заключить, что несмотря на высказанные выше соображения u_пл. > u_т. Но температурный фронт вследствие существования участка ab успевает к моменту старта волны плавления продвинуться уже на определенную глубину, поэтому волна плавления должна догонять температурную волну. В пределе две волны совместятся и это определит точку «c». Далее рождается уже другая температурная волна, но уже в жидкой фазе. Она стартует также с поверхности мишени вглубь материала. Расплав разогревается, отражательная способность опять начинает падать. Это продолжается до момента, когда падающая интенсивность импульса уже оказывается неспособной компенсировать энергозатраты на распространение волны плавления и разогрев жидкой фазы. Это и определяет отрезок cd.

Однако вернемся к предыдущему этапу. Из определения точки «c» следует, что в ней u_пл. = u_т. Поэтому объединяя выражения (1-25) и (1-26) и принимая за t время t ₂ можно получить оценку длительности этого этапа:

, где .

Дата добавления: 2015-06-27