Cтраница 3
До сих пор мы считали, что фронт ударной волны совпадает с фронтом волны поглощения лазерного излучения. Это приводит к более глубокой аналогии между горением и процессами, связанными с распространением волны поглощения лазерного излучения в газе. [31]
Как метод поверхностного упрочнения заготовок и деталей лазерная закалка обладает многими преимуществами по сравнению с азотированием, цементацией и закалкой токами высокой частоты. Процесс лазерной закалки состоит в структурном изменении материала, находящегося в твердом состоянии, при очень быстром нагревании в результате поглощения лазерного излучения в тонком поверхностном слое и быстром охлаждении на воздухе нагретой зоны благодаря теплопроводности материала. При этом деформации заготовок минимальны, в результате чего повышается их точность и снижается трудоемкость последующей механической обработки. Обеспечивается высокая твердость и износостойкость деталей из обычных углеродистых и низколегированных сталей, имеется возможность местного упрочнения рабочих поверхностей. Высокая производительность и гибкость лазерной закалки, возможность автоматического управления позволяют использовать соответствующие установки в составе ГПС. [32]
В этой лекции из всего многообразия различных аспектов процесса взаимодействия лазерного излучения с плазмой кратко будет рассмотрено лишь состояние исследований но лазерному термоядерному синтезу. Основное внимание при этом будет уделено общим вопросам взаимодействия лазерного излучения с плазмой - зависимости характера взаимодействии от диэлектрической проницаемости плазмы, нагреванию плазмы за счет поглощения лазерного излучения, передаче энергии от горячей разреженной плазмы к холодной плотной плазме. Содержание этой лекции является естественным развитием предыдущих трех лекций, и, в первую очередь, лекции 21, посвященной образованию плазмы при взаимодействии лазерного излучения с непрозрачными твердыми телами. [33]
От места оптического пробоя по газу распространяется сильная ударная волна. За фронтом ударной волны газ нагревается и ионизируется, приобретая вместе с тем способность поглощать лазерное излучение. Поглощение лазерного излучения происходит в тонком слое плазмы сразу за фронтом ударной волны. На рис. 2.1 представлен теневой снимок ударной волны, образовавшейся при разлете лазерной плазмы в режиме световой детонации. Хорошо видно, что фронт ударной волны в направлении лазерного излучения значительно опережает остальные участки сферической волны. [34]
Дозвуковая радиационная волна возникает в случае, если ударная волна прозрачна для лазерного излучения, поглощаемого в плазме. Перемещение плазменного фронта в газе, движущемся за фронтом ударной волны, происходит благодаря радиационному механизму со скоростью, меньшей местной скорости звука. В результате этого волна поглощения лазерного излучения отстает от уходящей вперед ударной волны, а давление выравнивается по всему нагретому объему газа. Сверхзвуковая радиационная волна обычно приходит на смену светоде-тонационной при высоких значениях интенсивности лазерного-излучения, когда радиационный механизм перемещения зоны поглощения лазерного излучения становится более эффективным по сравнению с гидродинамическим. В этом случае скорость радиационной волны превышает местную скорость звука в плазме, вследствие чего фронт радиационной волны опережает ударную волну. [35]
Заканчивая краткое изложение структуры лазерного факела, отметим один важный процесс, который не был рассмотрен и учтен-это процесс поглощения излучения в плазме. Взаимодействию лазерного излучения с плазмой посвящена следующая лекция, поэтому здесь частную реализацию этого процесса рассматривать не целесообразно. Однако надо иметь в виду, что поглощение лазерного излучения в плазменном факеле играет двоякую роль, нагревая плазму и уменьшая воздействие на поверхность твердого тела. [36]
При радиационном механизме переноса фронта плазмы излучение плазмы ионизует прилегающий слой газа до такой степени, что в нем поглощается заметная часть лазерного излучения. Вместе с волной ионизации движется и зона поглощения лазерного излучения. [37]
Это связано со следующими причинами: спектральные свойства S. SFs-F ( Do - 4 эВ) и поглощение лазерного излучения продуктами диссоциации - радикалами SFs приводит к большим затратам энергии - 42 5 эВ на диссоциацию одной молекулы. [38]
Чувствительность спектрофона можно значительно увеличить, если лазерный пучок модулировать частотой, соответствующей собственному резонансу ячейки с образцом. Кроме того, этот метод устраняет трудности, возникающие в нерезонансном методе вследствие поглощения лазерного излучения стенками ячейки. Поскольку схему измерений сигнала можно точно настроить на резонансную частоту желаемой акустической моды ( например, с узлами на стенках ячейки), поглощение стенками и окнами ячейки, которое в основном дает вклады в акустические волны с различными фазами и пространственными характеристиками, не вносит существенного вклада в измеряемый сигнал. [39]
Оптический пробой, возникающий в прозрачных средах - в газах, плазме, жидкостях, кристаллах и стеклах, представляет собой качественно единое явление, в основе которого лежит процесс превращения прозрачной среды в сильно поглощающую среду под действием мощного лазерного излучения. Явление оптического пробоя в газообразных, жидких и твердых прозрачных средах обсуждается в этой, а также в двух последующих лекциях. Однако прежде чем обратиться к явлению пробоя, кратко рассмотрим общие закономерности процесса поглощения лазерного излучения в веществе. [40]
Газодинамический предел в теории ионизующих ударных волн отражает то обстоятельство, что наиболее эффективным механизмом распространения ионизации является газодинамическая ударная волна. Если же имеется конкурирующий механизм распространения, обеспечивающий более высокую скорость, то именно он и будет осуществляться. Например, действие быстрых негазодинамических механизмов переноса ионизации в невозмущенный газ, обусловленное в первую очередь радиационными процессами [ 145J, приводит к тому, что наблюдаемые волны поглощения лазерного излучения оказываются аналогичны слабой, а не сильной детонации - они распространяются быстрее волны Чепмена - Жуге и меньше сжимают плазму. Аналогично происходит переход к МГД-режиму для нормальных ионизующих ударных волн в диапазоне чисел Маха 0 Ма0 2, поскольку МГД включающие ударные волны - это предел ионизующих ударных волн типа 3, сходных со слабой детонацией. [41]
Наиболее распространенным режимом является режим световой детонации. От места оптического пробоя по газу распространяется сильная ударная волна. За фронтом ударной волны газ нагревается и ионизируется, приобретая вместе с тем способность поглощать лазерное излучение. Поглощение лазерного излучения происходит в тонком слое плазмы сразу за фронтом ударной волны. [42]
Если длительность импульса т 3 т, где TS R / с, с - скорость звука в газе, то давление газа успевает выравняться за время действия импульса и показатель преломления газа будет однозначной функцией температуры газа. Если же i TS, то за счет нестационарных акустических процессов в канале распространения пучка может происходить фокусировка лазерного излучения. Действительно, в первые моменты после включения поглощение лазерного излучения приведет к повышению температуры и давления газа в канале распространения пучка, в то время как плотность газа еще не успеет измениться на существенную величину. [43]
Дозвуковая радиационная волна возникает в случае, если ударная волна прозрачна для лазерного излучения, поглощаемого в плазме. Перемещение плазменного фронта в газе, движущемся за фронтом ударной волны, происходит благодаря радиационному механизму со скоростью, меньшей местной скорости звука. В результате этого волна поглощения лазерного излучения отстает от уходящей вперед ударной волны, а давление выравнивается по всему нагретому объему газа. Сверхзвуковая радиационная волна обычно приходит на смену светоде-тонационной при высоких значениях интенсивности лазерного-излучения, когда радиационный механизм перемещения зоны поглощения лазерного излучения становится более эффективным по сравнению с гидродинамическим. В этом случае скорость радиационной волны превышает местную скорость звука в плазме, вследствие чего фронт радиационной волны опережает ударную волну. [44]
Рассмотрим установившееся движение плоской ударной волны навстречу лазерному излучению. Интенсивность лазерного излучения F считаем постоянной. Тепловое излучение плазмы ионизирует слой газа перед фронтом светодетонационной волны. Пробег ионизующих квантов не превышает миллиметра, поэтому в нескольких миллиметрах от фронта газ вообще не ионизован. Температура электронного газа перед фронтом Те определяется равновесием между поглощением лазерного излучения и потерями энергии при столкновениях. [45]