Новости

Изучены крупномасштабные структуры на поверхности металлов при лазерном воздействии большим числом импульсов.

Дата публикации: 29/01/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Согласно предыдущим работам Кириченко Н. А. - основной механизм формирования структур при указанных параметрах излучения состоит в том, что под действием излучения металл плавится и начинает течь по поверхности.
Благодаря термокапиллярным силам течение направлено преимущественно к тем точкам поверхности, которые имеют более низкую температуру и, следовательно, больший коэффициент поверхностного натяжения.
На течение расплава оказывают также влияние капиллярные силы, стремящиеся уменьшить кривизну поверхности жидкости. Для построения математической модели воздействия на поверхность большим числом импульсов необходимо сначала исследовать динамику плавления в течение отдельного импульса.
Такая задача была подробно исследована ранее, где была выведена система уравнений, описывающая плавление металла и течение расплава под действием отдельного импульса. Оказалось, что в рассматриваемых условиях достаточно учесть теплопроводность только в квазиодномерном приближении (т. е. только вглубь металла).
Дело в том, что перенос тепла и расплава вдоль поверхности в течение отдельного импульса незначителен (и осуществляется на расстояния порядка или меньше долей микрометров).
Радиус пучка излучения, используемого в экспериментах, равен ~50 мкм.
Смещение же расплава вдоль поверхности за время ~10-7 с, как было сказано выше, составляет ~0,2 мкм.
Тепло за это же время распространится на расстояние ~1 мкм. Рассматриваемая задача — многопараметрическая. Существенными являются параметры излучения (длительность импульса, пространственное распределение интенсивности) и характеристики используемого материала. Длина волны излучения предполагается малой по сравнению с характерными размерами возникающих структур, так что дифракционные явления не играют сколько-нибудь существенной роли.
Это допущение оправданно, поскольку в экспериментах использовалось излучение с длиной волны λ ~ 0,5 мкм, тогда как размеры структур составляли десятки микрометров. Было предположено, что нагреваемое вещество имеет параметры, характерные для никеля.
Построенная в работе математическая модель позволяет объяснить характерную форму и масштабы (амплитуду, крутизну) неоднородных структур, возникающих при воздействии на металлические мишени большим числом импульсов лазерного излучения с интенсивностями ~107— 108 Вт/см2 и диаметром пучка ~ 50-100 мкм.
Из анализа модели следует, что термокапиллярные силы играют определяющую роль в формировании структуры рельефа на протяжении нескольких сотен первых импульсов. Однако на поздних стадиях форма рельефа определяется также капиллярными силами и изменением поглощения излучения при увеличении крутизны поверхности.
Масштабы структур, рассчитанные на основе модели, соответствуют наблюдаемым структурам в экспериментах. Получено эволюционное уравнение, непосредственно (минуя промежуточные расчеты полей температуры и скорости течения расплава) определяющее форму поверхности в результате воздействия серии импульсов излучения.
Модель допускает различные обобщения, позволяющие учесть такие дополнительные факторы, как, например, произвольное двумерное распределение интенсивности излучения и сканирование пучка излучения по поверхности вещества.

Источник: РЖ «СВАРКА» ВИНИТИ: 09.09-63.113; 2009, № 9, с.12-13 / Квант. электрон.- 2009, 39, № 5, с. 442-448.

Статьи по теме:

страницы: 1