ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2012, том 112, № 4, с. 685-692
= ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ =
УДК 535.212
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
© 2012 г. Е. Ю. Локтионов*, А. В. Овчинников**, Ю. С. Протасов*, Ю. Ю. Протасов*, Д. С. Ситников**
* Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005Москва, Россия ** Объединенный институт высоких температур РАН, 125412 Москва, Россия
E-mail: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 03.10.2011 г.
Впервые экспериментально определены оптико-механические характеристики (удельный механический импульс отдачи, удельный импульс, энергетическая эффективность) лазерной абляции плоских полимерных мишеней ((C2F4)B, (CH2O)B) при воздействии фемтосекундных (т ~ 45—70 фс) импульсов УФ-ИК (X ~ 266, 400, 800 нм) лазерного излучения (I0 до 1015 Вт/см2) в атмосферных и вакуумных условиях (p ~ 10-4 мбар). Обсуждена эффективность различных режимов лазерного воздействия для генерации механического импульса отдачи.
Для решения задач ориентации и стабилизации малых космических аппаратов [1] необходима генерация импульсов тяги в субнаноньютоно-вом диапазоне (1М< 10-9 Нс), достижимых при импульсной лазерной абляции конденсированных сред и ускорении результирующих потоков в тракте лазерной двигательной установки. Величина сообщаемого твердотельной мишени механического импульса при лазерной абляции пропорциональна энергии воздействующего излучения, при этом величина спектрально-энергетических порогов лазерной абляции уменьшается пропорционально квадрату длительности воздействующих импульсов излучения [2]. Таким образом, при использовании ультракоротких импульсов излучения за счет уменьшения энергии воздействия возможно сообщать облучаемой мишени меньший импульс отдачи. Как показано нами в [3], тонкое дозирование массового расхода лазерной абляции до Ат ~ 1014—10-15 кг при фемтосекундном лазерном воздействии позволяет при среднемассовых скоростях светоэрозионных газово-плазменных потоков на уровне (V) ~ 102—104 м/с сообщать конденсированной мишени механический импульс порядка 1М ~ 10-11—10-12 Нс, при этом существующие методы измерения импульса отдачи не обладают достаточной чувствительностью для регистрации результата однократных воздействий. Получение столь малой величины бита импульса 1ьи — минимального регулируемого значения импульса отдачи, сообщаемого в результате однократного лазерного воздействия, — является необходимым условием, не достигаемым при ис-
пользовании наносекундных и более длинных импульсов лазерного излучения [4].
Проблема повышения чувствительности экспериментальных методов измерения механического импульса отдачи на поверхности твердотельной мишени в результате импульсного лазерного воздействия особенно трудноразрешима при использовании лазерных импульсов с низкой энергией излучения. Чувствительность баллистических маятников, пьезоэлектрических и тензо-метрических датчиков силы для измерения импульса отдачи составляет величину порядка А1М ~ ~ 10-6—10-5 Нс (при использовании методов интерферометрии для анализа колебаний баллистического маятника разрешение может быть увеличено до А1М ~ 3 х 10-9 Нс [5]), торсионных маятников (крутильных весов) — А1М ~ 10-9—10-8 Нс
[6]. Теоретический предел разрешающей способности регистрации импульса отдачи пленочных органических пьезоэлектрических преобразователей и МЭМС-устройств стремится к 10-18 Нс
[7], однако экспериментальные работы, подтверждающие техническую возможность регистрации столь малых импульсов отдачи (<10-14 Нс), отсутствуют.
При воздействии на полимерную мишень фемтосекундными импульсами лазерного излучения, энергия которых, как правило, не превышает Е ~ 10-4 Дж, максимальное значение импульса отдачи редко оказывается больше 1м ~ 10-8 Нс, а разрешающая способность измерительной методики, таким образом, должна быть не хуже А1М ~ 10-9 Нс. Если для регистрации скорости разлета частиц с высокой точностью (А V ~ 10 м/с)
Рис. 1. Блок-схема экспериментально-диагностического модуля: 1 — тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс, 2 — фокусирующая линза, 3 — микрообъектив, 4 — вакуумная камера, 5 — мишень, 6 — интерференционный фильтр, 7 — ПЗС-камера.
I I -¡--¡- 6
^чПП
3
существует ряд широко используемых методик (времяпролетные зонды, фоторегистрация (particle imaging velocimetry — PIV) и др.), то применяемые обычно для определения массового расхода методы не позволяют проводить измерения in-situ, а их точность не превосходит Am ~ 10-9 кг. Существенной особенностью измерений импульса отдачи с использованием маятниковых систем и датчиков силы является то, что они дают интегральный по пространству результат и обладают низким (на 8—9 порядков больше длительности ультракоротких лазерных импульсов и на 3—5 порядков больше характерных времен газодинамических процессов) временным разрешением At > > 10-5 с. Кроме того, при измерении импульсов отдачи в диапазоне IM< 10-8 Нс, как правило, регистрируется сигнал, суммированный по результатам нескольких последовательных лазерных воздействий (n ~ 102—103 и более), а разброс значений единичных импульсов (так называемый шум) остается неопределенным. Кроме того, полный механический импульс, сообщаемый мишени, определяется несколькими оптико-газодинамическими процессами (разлет ионизованных паров мишени, формирование и распространение ударной волны в буферном газе [2], медленный разлет продуктов фазового взрыва в объеме твердотельной мишени [8]), и для анализа оптико-механической эффективности лазерной абляции необходимо определение динамики вклада в полный импульс отдачи каждой из этих составляющих. Так, в [2, 9, 10] импульс отдачи на поверхности твердотельной мишени при воздействии
ультракоротких лазерных импульсов регистрировался посредством торсионного и математического маятников, для увеличения чувствительности которых применялись интерференционные методы, однако их разрешающая способность по импульсу отдачи не превышала 3 х 10-9 Нс.
Целью настоящей работы является исследование оптико-механических характеристик фемто-секундной лазерной абляции конденсированных сред полимерного ряда. Для этого разработаны экспериментально-диагностический модуль (рис. 1) на основе тераваттного фемтосекундного лазерного комплекса [11] (т05 ~ 45—70 фс, Х1 ~ 266, Х2 ~ 400, Х3 ~ 800 нм) и методика комбинированной импульсной лазерной микроинтерферометрии поверхности аблирующей мишени (схема Майкель-сона) и светоэрозионых газово-плазменных потоков (схема Маха—Цендера) [12]. Предлагаемая оптическая схема комбинированной импульсной лазерной микроинтерферометрии, позволяющая регистрировать массовый расход аблирующей мишени с точностью до Ат ~ 10-14 кг, а среднемас-совую скорость частиц с точностью не хуже А< V) ~ ~ 100 м/с, открывает возможность для измерения импульса отдачи с точностью (с учетом инструментальных и методических погрешностей) А1М< < 10-11 Нс. Существенной особенностью интер-ферометрического измерения оптико-механических характеристик абляционных потоков является также их высокое пространственное (~1 мкм) и временное разрешение (~10-13 с).
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Важным параметром, характеризующим эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию светоэрози-онного потока, является удельный механический импульс отдачи Ст, определяемый как отношение полного импульса светоэрозионного газово-плазменного потока (интеграл реактивной силы Е по времени; в первом приближении импульс отдачи может быть определен как произведение массового расхода Ат и среднемассовой скорости частиц к энергии лазерного импульса Е или (в случае непрерывного лазерного воздействия) давления на поверхности мишени р к плотности мощности излучения 10 [13, 14]:
С =
^ ГУ!
- 2
1 \ рт
ж)
Iо(*)
Ат( у) Е '
(1)
энергии импульса лазерного излучения — энергетическая эффективность лазерной абляции:
П
_Хту2 „ т (у)&Ст1ц
2Е
2Е
(3)
Несмотря на то что в числителе отсутствуют составляющие, соответствующие энергии теплового движения частиц и излучению, п может оказаться существенно больше единицы в случае высвобождения энергии ковалентных связей при воздействии на полимерные материалы [16] или инициирования экзотермических реакций с другими веществами (например, взрывчатыми [17]).
В соответствии с теорией Седова—Тэйлора для сильного взрыва [18], с учетом ограничений, накладываемых твердой стенкой, эффективность генерации лазерно-индуцированной ударной волны в буферном газе может быть рассчитана как отношение энергии источника ударной волны Е, к энергии лазерного импульса Е:
Стоит отметить, что для воздействия коротких (т0.5 < 10-7 с) и ультракоротких (т0.5 < 10-11 с) импульсов лазерного излучения использование выражения Ст = р(0/!0(0 является некорректным, так как характерное время, в течение которого га-зово-плазменный поток оказывает давление на поверхность мишени (т > 10—6—10-5 с), существенно больше, чем длительность лазерного воздействия [15]. В случае же ультракоротких импульсов воздействие и макроскопическая реакция на него вообще разнесены по времени (так как длительность импульса в этом случае меньше или сопоставима со временем электрон-фонон-ной релаксации). Для большинства полимерных материалов удельный механический импульс отдачи при оптимальных параметрах и режимах лазерного воздействия не превышает значения Ст ~ ~ 5 х 10-4 Нс/Дж [13] (для специальных энергетических (экзотермических) полимеров [16] эта величина может быть на порядок выше). Удельный импульс
1\р
I
тч (у)
I ти и '
(2)
где g — ускорение свободного падения на уровне моря.
Эффективность лазерной абляции может быть рассчитана с учетом различных форм энергии, в которые происходит преобразование энергии лазерного излучения, и энергии, запасенной в веществе мишени. В качестве оптико-механической характеристики целесообразно использовать отношение кинетической энергии направленного движения частиц в газово-плазменном потоке к
п _ 8
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.