УДК 536.331
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В КИНЕТИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ГАЗОВО-ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ
© 2013 г. Е. Ю. Локтионов1, А. В. Овчинников2, Ю. С. Протасов1, Ю. Ю. Протасов1, Д. С. Ситников2
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва
E-mail: stcpe@bmstu.ru Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступило в редакцию 20.02.2013 г.
С использованием методов комбинированной интерферометрии получены новые данные об удельном механическом импульсе отдачи и эффективности преобразования энергии излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока при фемтосекундной (т ~ 45 фс, X ~ 800 нм) абляции ряда металлов (Ti, Zr, Mo, Cu) в вакууме (p ~ 5 х 10 Па).
DOI: 10.7868/S0040364413060197
ОБ Э ФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ 949
10, Вт/см2
Ада, кг 1014 1015
10-
10
-12
10°
101
102
2
№г, Дж/см
Рис. 1. Зависимость массового расхода от плотности энергии (мощности) лазерного излучения: 1 — Си, 2 — Мо, 3 — И, 4 - Zr.
Воздействие ультракоротких импульсов лазерного излучения позволяет значительно уменьшить долю рассеянной в тепло энергии, поглощенной веществом мишени, при этом увеличивается скорость разлета частиц (удельный импульс реактивной струи), а пороговая энергия импульсов лазерного излучения уменьшается до микро-и наноджоулей, что снижает также минимальный бит импульса отдачи (критическую величину для прецизионного позиционирования космических аппаратов) до уровня ~10-11 Н с [1]. Многие элементы конструкций космических летательных аппаратов, изготовленные из тугоплавких металлов и их сплавов, становятся ненужными после вывода полезной нагрузки на заданную орбиту и теоретически могут быть использованы в качестве топлива для лазерных ракетных двигателей, что обусловливает актуальность исследования эффективности преобразования энергии излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока именно при воздействии ультракоротких импульсов лазерного излучения, когда спектрально-энергетические пороги лазерной абляции минимальны.
В данном кратком сообщении приводятся новые экспериментальные данные об эффективности генерации импульса отдачи при фемтосекунд-ной лазерной абляции металлов в вакууме и их сравнение со случаями воздействия более длинных импульсов излучения и воздействия в атмосферных условиях.
Установка, методика проведения и обработки результатов эксперимента подробно описаны ранее в [1—3]. При обработке полученных интерфе-рограмм определены массовый расход с поверхности мишени Ат (рис. 1) и распределение концен-
трации электронов в лазерно-индуцированном газово-плазменном потоке, на основе чего выполнена оценка распределения частиц по скоростям. Аналогичность распределения по скоростям электронов и ионов в газово-плазменном потоке при воздействии фемтосекундных импульсов лазерного излучения экспериментально показана в [4]. На основе этих первичных данных выполнены оценки параметров эффективности генерации импульса отдачи: среднемассовой скорости (V) (удельного импульса /8р = Zmv/Ътя ~ V/я, для оценок взяты значения (у) через 42 нс после воздействия), удельного механического импульса отдачи Ст = Ат( у) /Е (Е — энергия импульса лазерного излучения), эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока п =
= Ат( V2/2Е.
Сведения о величине удельного механического импульса отдачи при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на И, Zr, Си мишени в вакууме в литературе не встречаются, таким образом, данные, представленные на рис. 2а, получены впервые. Вообще говоря, сравнение данных об удельном механическом импульсе отдачи затруднено, так как для измерения импульса отдачи применяются разные методики [5]. Существенное влияние могут оказать также положение мишени относительно плоскости фокусировки линзы [6] (отличие величины Ст до трех раз при выносе мишени на 0.13/ за плоскость фокусировки), размерные характеристики мишени [7] и абсолютное значение энергии импульсов излучения Е
Cm, Н С/Дж Ш14
10—3
I0, Вт/см2 1015
10-
10—5 и_I..........I........
10° 101 102
W, Дж/см2
I0, Вт/см2 14 1015
п
100
10
10-
100
101
102
W, Дж/см2
Рис. 2. Зависимость удельного механического импульса отдачи (а) и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (б) от плотности энергии (мощности) лазерного излучения (обозначения как на рис. 1).
(в [8] для равных плотностей энергии Ж показано отличие Ст в 1.4 раз при изменении Е в 3 раза).
В работе [9] представлены данные, полученные с использованием торсионного маятника при воздействии ультракоротких импульсов на Мо в вакууме, данные настоящей работы являются логическим продолжением этого ряда в области более интенсивных воздействий. В [9] для зависимости Ст установлено наличие оптимума при Ж ~ 1 Дж/см2, в данной работе этой плотности энергии соответствует измеренный порог лазерной абляции [10] (ниже которого достоверно не обнаруживалось наличия кратера при однократном воздействии). Таким образом, можно
предположить, что в действительности это значение плотности энергии соответствует переходу из низкоэнергетичного в высокоэнергетичный режим лазерной абляции [11]. Следовательно, из-за больших значений удельного массового расхода при монотонной зависимости удельного импульса от плотности энергии излучения зависимость Cm имеет еще один оптимум вблизи W ~ 3 Дж/см2 с большими, чем в низкоэнергетичном режиме воздействия, значениями. Аналогичный переход из низкого в высокоэнергетичный режим наблюдается для Ti. Насколько известно, подобные точки перегиба в зависимости Cm от интенсивности лазерного воздействия для каких-либо материалов и параметров лазерного воздействия зарегистрированы впервые.
Стоит отметить, что максимальные значения Cm для исследованных авторами металлов довольно близки в отличие от случаев воздействия более длинных импульсов излучения, когда разница в теплофизических характеристиках материалов мишеней (теплопроводность, теплоемкость, температура фазовых переходов) оказывает существенное влияние на скорость и эффективность тепловых процессов. Из исследованных металлов оптимумы Cm очевидны для Zr и Cu, их положение не соответствует таковому для полимеров (W/W ~ exp(3/2)) [12-14].
Данные об эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока, генерируемого при воздействии ультракоротких импульсов на металлические мишени, в литературе почти не встречаются. Лишь в [15] для золота установлено изменение n ~7.5 х 10-3— 1 в вакууме и в [16] n ~ 0.055—0.15 — для титана в атмосферных условиях при наносекундном воздействии ИК-излучения. Путем комбинирования данных работы [17] можно определить, что для Мо в вакууме характерное значение энергетической эффективности, соответствующее максимальному Cm при I0 ~ 5.7 х 1012 Вт/см2, составляет ~0.5. Зависимости n(W для Zr, Ti и Cu, представленные на рис. 2б, имеют максимум, так как среднемассовая скорость частиц мало зависит от плотности энергии лазерного излучения. Максимальные значения Cm и n достигаются при одних и тех же режимах воздействия, что позволяет избавиться от оптимизационной дилеммы для полимеров [18, 19], характеризуемой несовпадением условий достижения максимумов этих параметров. Как видно из этого же рисунка, значения величины n, по сути являющейся комбинацией всех параметров эффективности генерации абляционных газово-плазменных потоков, охватывают значительную
ОБ Э (ОФЕКТИВНОСТИ ПР^О^РВАЗОВАКНИЯ ЭHЕРГИИ ИЗЛУЧEHИЯ
951
часть допустимого диапазона и изменяются довольно резко, что делает исследование эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока особенно актуальным.
Проведено экспериментальное исследование эффективности генерации импульса отдачи при фемтосекундной лазерной абляции ряда металлов (Ti, Cu, Zr, Mo). С использованием методики комбинированной интерферометрии поверхности мишени и приповерхностной зоны выполнены оценки не только традиционных для подобных работ величин: удельного механического импульса отдачи и удельного импульса, но также эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока. Полученные значения удельного механического импульса отдачи (Cmmax ~ 4 х 10-4 Н с/Дж) и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (nmax ~ 0.82) превышают таковые для микро-, наносекундных импульсов излучения и для фем-тосекундных в атмосферных условиях и близки к значениям этих параметров, достигаемых при воздействии на полимерные материалы. Впервые для тугоплавких металлов превышен своеобразный порог Cm ~ 10-4 Н с/Дж, определяющий возможность применения вещества в качестве рабочего тела для маршевых лазерных ракетных двигателей.
Работа выполнена при поддержке Минобрна-уки РФ (госконтракты № 14.518.11.7009 и № 16.120.11.328-МК) и РФФИ (грант № 11-0800848).
СПРСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Исследование газодинамических процессов фемтосекундного оптического разряда с аблирующей полимерной стенкой в атмосферных и вакуумных условиях // ТВТ. 2011. Т. 49. № 3. С. 415.
2. Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.Ю., ТелехВ.Д., Хази-ев Р.Р. Комплексная обработка интерферограмм светоэрозионных газово-плазменных потоков в вакууме // ПТЭ. 2013. № 1. С. 53.
3. Локтионов Е.Ю., Овчинников А.В., Протасов Ю.Ю., Ситников Д.С. Исследование оптико-теплофизи-ческих и газодинамических характеристик фемто-секундной лазерной абляции конструкционных материалов полимерного ряда // ТВТ. 2010. Т. 48. № 5. С. 766.
4. Amoruso S., Wang X., Altucci C., de Lisio C., Amenante M., Bruzzese R., Spinelli N., Velotta R. Double-Peak Distribution of Electron and Ion Emission Profile During
Femtosecond Laser Ablation of Metals // Appl. Surf. Sci. 2002. V. 186. № 1-4. P. 358.
5. Scharring S, Sinko J., Sasoh A., Eckel H.-A.,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.