Действие излучения эрбиевого лазера субмиллисекундной длительности на поглощающую жидкость Текст научной статьи по специальности «Физика»

f\ pа та кш: fji.'6щkh üjJ по физии f ФИ А И

nOMip SL 2001 <_-.

УДК ГЯЛ.'Л. ft-TAÖ

ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭРБИЕВОГО ЛАЗЕРА СУ Б М И J1ЛИСЕК У Н Д НОЙ Д Л И ТЕЛ ЬНО С ТИ НА ПОГЛОЩАЮЩУЮ ЖИДКОСТЬ

В. И. Вовчеико, (.'. М. Климентов, II. А. Пивочл.ров, А. Д. Самих и н

Up * ÖC ?l?il рс н^шншы -¡¿¿¿itfit tl ü (i уль CO н da i:

■5 о я и цкл ю Jii|u x rj bvdt tj od субшк-улпг.г.купдко-

Pi> лазерного излучения ¿'.V11 : У А G ланг.ра нч саиба Окцю

•а Нажатую поверхности жидкости. Попmittue-.: ьмпцль

соь dti&M-.vuN ибуслоблепо фотоакуг.тачг.^гггк^ ;*фф< ^ гг.-.

яярыйным испила/шел1 перюрг.тпяп npimütH.psHO'..шн■■.J

слоя жадности V кавитнционнглми прице сними, fiäJömjti

«тц тм(¡lit-ji поме invim лазерном tso.idv.ücmbuy..

Возг.гнс. I hi-.c и_v;I(ульспого лязстрнош иилучьНИЯ па поглошающую жидкен" h ■: ■ >i■ р-н- ■ ждается генерацией в пей имчулксон давления. связаппых с пропечхами, ироисжуцгщ* мн 3 зоне «золу 4t:iL>iü {cM-t напр., f] fi и цитируемую там литературу). Н (одномерном с ;■ X ИХ числу, л Частности, относя и:н фи!оаьустическпй .-»ффеь-т. айуслонленны й тепловым оапнирением ЖЯДКОСТЯ, поверхнистЫие испарение IT нлртлтшог (пйъгнкпг; нскиланм ПрОИСХЦЦЙЩее В ПРреТреТОМ ирИПОПерХИОСГПОМ СЛС>Г ЖИДКОСТИ. При ДО' ГаШЧЛОЛ L UTi-jJ chhh(m:lh облучения эти процессы развиваются ча нремн ней с гния лЕлерпо^и 1шпулъо пискиЛЬКу отт л неносре&етвешю гняланы ( первоначальным нагревом ЖИДКОСТИ :1.гту ч(: н и e.V..

Мри переходе Е песщноморжшу елучаю, который реализуется при досч'ач'отно . I Tejl ИНОМ НОЛДеПСТВИИ V HfifjoHHSJIHX иатпах ОбЛуЧСНИЯ, НОЯМОЖеН ГИ[(" ОДИН UCXiJHH IM I' нерации импульсов давлении. еВил'.ешый с jaJHlonuBamfev; ноя н икающих к этом ■ Iгие: кднич анионных ну.чырышн \2\. В одноцерпом (или квашещно мерном] случат чочможно образование каничац ионных НОЛОСТеи (пуэырькоз) при дпе.т и женин гряннц-,; мс:ч iu: i аЙИПЫГОСЕИ яа счеч поре: peua ИЛИ растяжения жидкое I и [б], (щнако, их чахлым м-наннй, нообше говори, не м|н)нсхи;^ит. а вместо ^ТОГО пронсвдггич оч кол <:лоя жи.чк^;:

:-to

В неодномерном случае образование кавитационного пузырька может быть связано с "распадом" возникшего за время действия излучения канала, когда облучаемая часть поверхности жидкости под действием испарительного давления и возникающего при этом радиального течения заметно углубляется по отношению к ее исходному уровню [2]. Подобный механизм отличается от формирования кавитационных полостей, которые возникают под действием остросфокусированного лазерного импульса в объеме слабо-поглощающей жидкости после ее оптического пробоя [7, 8].

Очевидно, что формирование пузырьков за счет распада каверны реализуется при определенных соотношениях плотности энергии, длительности воздействия и размеров пятна лазерного излучения, которые необходимы для образования достаточно глубокой каверны. О подобном процессе упоминается, в частности, в работе [2] для случая воздействия импульса СО2 лазера длительностью 400 мкс и с пятном облучения диаметром 50 мкм на воду, однако каких-либо данных о поведении давления не приводится. В настоящей работе, с использованием оптической и акустической диагностики, исследуется воздействие субмиллисекундного лазерного излучения Ег3+:УАС лазера на свободную и зажатую поверхности жидкости, при котором кроме отмеченных выше одномерных эффектов наблюдаются также импульсы давления с большой задержкой после окончания действия лазерного излучения, которые обусловлены захлопыванием кавитационного пузырька.

Общая схема эксперимента представлена на рис. 1. Излучение Ег3+:УАС лазера, регистрируемое фотоприемником Б125, фокусировалось в пятно диаметром 0.5 мм на поверхность воды в кювете. Для регистрации акустических возмущений, возникающих в результате лазерного воздействия, в дно кюветы был вмонтирован датчик на основе пленки пьезополимера ПВДФ или пьезоприемник на основе 1л1ЧЬОз. Регистрируемый датчиком акустический сигнал начинался с задержкой относительно начала основного лазерного импульса, соответствующей времени прохождения звука по слою жидкости (27 мкс) и первая его часть заканчивалась вместе с лазерным импульсом. Регистрация гидродинамических (морфологических) возмущений облучаемой поверхности осуществлялась с помощью зондирующего излучения от полупроводникового лазера с длиной волны 0.88 мкм и диаметром луча 0.2 мм, импульс которого начинался за Ю-4 с до начала действия основного лазерного импульса. Зондирующий луч проходил под поверхностью жидкости на изменяемой глубине (3-6 мм) и попадал на фотоприемник с апертурой 1 мм2. Сигналы от фотоприемников и акустических датчиков регистрировались цифровым осциллографом СБЭ-вЮЗ с полосой пропускания

Рис. 1. Схема эксперимента. 1 - кювета размером 2.5 X 3 X 4 см3 с дистиллированной водой, 2 - излучение эрбиевого лазера, 3 - излучение зондирующего лазера (длительность 1 мс, диаметр 0.2 мм], 4 - диафрагма, 5 - фотоприемник, 6 - акустический датчик на дне кюветы, 7 - осциллограф ООБ-вЮБ, 8 - уровень поверхности воды.

100 МГц и минимальной чувствительностью 2 мВ/дел. Основной лазерный импульс имел длительность от 100 до 200 мкс в зависимости от накачки и полную энергию до 50 мДж.

На рис. 2. показаны осциллограммы сигналов с фотоприемника зондирующего излучения (1) и пъезодатчика (2). Этот сигнал был обусловлен поверхностным испарением и, возможно, взрывным вскипанием приповерхностного перегретого слоя жидкости, толщина которого в данном случае не превышает Ю-4 см в соответствии с коэффициентом поглощения воды 104 см-1 на длине волны эрбиевого лазера. Как уже отмечалось выше, в одномерном случае эти процессы прекращаются вместе с лазерным импульсом. Однако акустический датчик спустя более чем 200 мкс регистрирует дополнительный импульс давления со значительно большей амплитудой, который при таких задержках весьма затруднительно связывать с процессом взрывного вскипания. Очевидным механизмом генерации такого дополнительного импульса представляется схлопывание кавитационного пузырька, возникающего в результате эволюции глубокой каверны, сформированной во время действия лазерного излучения. Осциллограммы сигналов

; : : ;

.....! .. .. г !/! : * О'Т']' 1 Ы^и

250 И * ; :Ц ; ЧГт

* • * * в : : 1 ♦ • 1: г "Г"! "" пю^ :

Рис. 2. Характерные осциллограммы сигналов с фотоприемника (1) и акустического датчика (2).

с фотоприемника, регистрирующего зондирующее излучение, согласуются с предполагаемой картиной процесса (рис. 2 кривая (1)). Зондирующий сигнал полностью перекрывается формирующейся каверной спустя примерно 100 мкс после начала действия лазерного импульса.

По этому времени и расстоянию зондирующего излучения от поверхности жидкости (4 мм) можно оценить скорость углубления каверны, которая составляет 4 • 103 см/с. Такая скорость может быть реализована при абляционном давлении на облучаемую поверхность Р ~ 16 атм в соответствии с оценкой Р ~ рь2. Подобная величина абляционного давления согласуется со средней интенсивностью лазерного воздействия 2 ■ 10° Вт/см2. Заметим, что при такой интенсивности скорость испарения оказывается в десятки раз меньше скорости углубления каверны, обусловленной неодномерными гидродинамическими эффектами.

Из рис. 2 видно также, что прохождение зондирующего излучения восстанавливается на короткое время (~ 30 мкс) непосредственно перед моментом возникновения кави-тационного импульса давления, что свидетельствует о распаде первоначально сформированной каверны на отдельные части (пузырьки). Величина давления, возникающего при захлопывании этих пузырьков, оказывается значительно больше акустического возмущения, регистрируемого датчиком от облучаемой поверхности.

На рис. 3 показаны осциллограммы датчика давления (2) и основного лазерного импульса (1) при различных его энергиях, соответствующих разным уровням накачки.

1

2

1

2

Рис. 3. Влияние уровня накачки лазера на момент захлопывания кавитационного пузырька: а - уровень накачки 1500 В, б - 1400 В, в - 1300 В, г - 1200 В.

Снижение напряжения накачки на 100 В приводит к уменьшению энергии примерно на 5 мДж. Из рис. 3 видно, что снижение энергии лазерного импульса не приводит к исчезновению импульса кавитационного давления, но уменьшает время задержки его появления относительно начала первого акустического импульса (от 460 мкс при максимальной накачке до 360 мкс при минимальной). Уменьшается также и задержка кавитационного импульса относительно окончания действия основного лазерного излучения (от 300 мкс при максимальной накачке до 240 мкс при минимальной). Различие в изменении интервала задержки в данном случае связано, в частности, с изменением длительности лазерного импульса, которая уменьшается с уменьшением накачки. Одна из причин уменьшения задержки с уменьшением энергии лазерного импульса может быть связана с уменьшением первоначального размера и времени захлопывания образующегося кавитационного пузырька.

Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность возникновения дополнительных импульсов давления в облучаемой мишени со значительной задержкой после окончания действия лазерного излучения. В этой связи стоит отметить недавнюю работу [9], где наблюдался сильный эффект последействия с задержкой в десятки

т-

...л....

4... ;

....................

; : ;_I_2_I_■!■ .■:

! I-Г ""Г'

4

- б

Т**1—: !

1 ; ;

-4.-1-1

г-?;;

--<-1-~

4

~тггг

~—~

^ 240

240, 0 ив <20 Нг

микросекунд относительно исходного субнаносекундного лазерного импульса, который авторы этой работы связывают с фазовым взрывом в облучаемых металлических мишенях. На наш взгляд возможность фазового взрыва перегретого метастабильного слоя с такой задержкой в подобных условиях маловероятна. В то же время заранее нельзя исключить возможность проявления гидродинамических эффектов, подобных рассмо тренным в нашей статье, и в экспериментах работы [9]. По этой причине, в частности, условия возникновения кавитационных эффектов при различных режимах лазерного воздействия на поглощающие материалы требуют дополнительных исследований. Данная работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 06-08-01440.

ЛИТЕРАТУРА

[1] А. А. Самохин, Труды ИОФАН 13, 3 (1988).

[2] D. Kim, М. Ye, and С. P. Grigoropoulos, Applied Surface Science 127-129, 53 (1998).

[3] D. Kim and C. P. Grigoropoulos, Applied Physics A: Materials Science & Processing 67, 169 (1998).

[4] Y. Kawaguchi, X. Ding, A. Narazaki, et al., Applied Physics A: Materials Science &; Processing 80, 275 (2005).

[5] Г. В. Островская, Журнал технической физики 72(10), (2002).

[6] L. V. Zhigilei and В. J. Garrison, Journal of Applied Physics 88, 1281 (2000).

[7] В. С. Тесленко, ПМТФ N 4, 109 (1976).

[8] Т. Asshauer, К. Rink, and G. Delacretaz, Journal of Applied Physics 76, 5007 (1994).

[9] A. V. Pakhomov, M. S. Thompson, and D. A. Gregory, Journal of Physics D: Applied Physics 36, 2067 (2003).

Институт общей физики

им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 27 июля 2007 г.