ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
"РФЯЦ – ВНИИЭФ"
ТЕПЛОВЫЕ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И
ПЛАЗМЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Монография
Под общей редакцией
профессора Н. С. Захарова
профессора В. Д. Урлина,
профессора Н. И. Шенцева,
Саров, 2004
Стр.2
УДК 621.378
ББК 32.86
У 69
Тепловые, гидродинамические и плазменные эффекты при взаимодействии
лазерного излучения с веществом: Монография / Под общей
ред. проф. Н. С. Захарова, проф. В. Д. Урлина, проф. Н. И. Шенцева. – Саров:
ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ", 2004. – 425 с. – ил.
ISBN 5-9515-0037-0.
Монография представляет собой обзор основных направлений
теоретических и экспериментальных исследований по воздействию
лазерного излучения на вещество. Главное внимание уделяется
описанию физико-математических моделей и методов численного
моделирования физических процессов, протекающих при взаимодействии
лазерного излучения с материалами различного состава в
области умеренных потоков излучения, при которых возникают тепловые,
гидродинамические и плазменные эффекты, представляющие
интерес для лазерной технологии и научных исследований.
Для подтверждения достоверности расчётных моделей широко
привлекаются результаты экспериментов.
Монография предназначена для широкого круга специалистов,
аспирантов и студентов старших курсов, занимающихся физикой
высоких плотностей энергии, физикой взаимодействия мощных направленных
потоков электромагнитной энергии с веществом, технологией
обработки различных материалов.
ISBN 5-9515-0037-0
© ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ", 2004
Стр.3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Исследования физики взаимодействия лазерного излучения с веществом
были начаты практически сразу же после создания первых лазеров в
60-х годах 20-го столетия. К настоящему времени в этой области знаний
накоплен значительный объем экспериментальных и теоретических результатов,
имеющих важное фундаментальное и прикладное значение.
Эти результаты послужили научно-методической основой широкого использования
лазеров как в исследовательских целях, так и в промышленных
технологиях, медицине, измерительной технике. Однако проведение
дальнейших исследований в рамках данной проблемы требует применения
все более сложных и дорогостоящих технических решений, что зачастую
является серьезным сдерживающим фактором. Для правильного понимания
новых перспективных направлений развития и применения лазерной
техники необходим прежде всего тщательный анализ и обобщение
обширного экспериментального и теоретического материала, накопленного
за прошедшие годы.
В настоящей монографии приведены материалы исследований, выполненных
в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском
НИИ экспериментальной физики и Центральном физико-техническом
институте. Сформулированы задачи, возникающие при изучении лазерного
воздействия на различные материалы, в том числе многокомпонентные,
при разных условиях и режимах облучения. Большое внимание уделено
описанию физико-математических моделей и методов численного моделирования
разнообразных физических процессов: тепловых, газо- и плазмодинамических,
механических, ударно-волновых, электромагнитных.
Для подтверждения достоверности расчетных моделей используются результаты
экспериментов. Многие материалы исследований ранее не были
опубликованы и могут представлять значительный интерес для специалистов
в области лазерных технологий. Например, данные по воздействию
лазерного излучения в условиях сверхзвукового обтекания, лазерному
горению и инициированию химически активных сред, облучению материалов
ультракороткими импульсами. Необходимость и своевременность
монографии обусловлена еще и тем, что в настоящее время новое поколение
исследователей, проявляя заметный интерес к проблеме лазерного
взаимодействия с веществом, нередко повторяет уже сделанное предшественниками.
Стр.4
4
Предисловие
Авторы монографии, известные ученые профессора Н. С. Захаров,
В. Д. Урлин, Н. И. Шенцев и их сотрудники, являются авторами многочисленных
оригинальных работ по исследованию взаимодействия лазерного
излучения с веществом.
Монография состоит из восьми глав, охватывающих широкий круг
вопросов по данной тематике.
В первой главе представлено описание общей физической картины
процессов взаимодействия лазерного излучения с конденсированными
средами, приводятся терминологические определения, используемые в
последующих главах.
Вторая глава посвящена методикам численного моделирования испарительных
и газодинамических процессов, развивающихся под действием
лазерного излучения широкого диапазона интенсивностей на непрозрачные
материалы.
Особенности нагрева и терморазрушения неоднородных полимерных
материалов под действием непрерывного и квазинепрерывного лазерного
излучения изучаются в третьей главе.
В четвертой главе исследуются эффекты теплового и газодинамического
воздействия паров и плазменного факела на сверхзвуковой воздушный
поток, обтекающий облучаемую мишень.
Пятая глава посвящена процессам генерации токов и электромагнитных
полей в лазерной плазме, изучению их пространственновременной
структуры.
В шестой главе излагаются физико-математические модели взаимодействия
нано- и фемтосекундных лазерных импульсов с непрозрачными
конденсированными средами.
Особенности взаимодействия лазерного излучения с оптическими
материалами рассматриваются в седьмой главе.
В восьмой главе представлены результаты расчетно-теоретического
исследования лазерного зажигания и горения химически активных конденсированных
сред.
Основное содержание монографии составляют результаты исследований,
выполненных российскими учеными. Вне поля зрения авторов остался
ряд зарубежных публикаций. Библиография для удобства восприятия
помещена в конце каждой главы.
Работа по написанию монографии выполнена при финансовой поддержке
Международного научно-технического центра (проект № 1299-00).
Стр.5
5
=π= ⋅21,05 10 Дж с 1,05 10
⋅ = ⋅
постоянная Планка;
16
1,38 10
=⋅
h −− −15
Обозначения физических величин
34
k −−=⋅ =⋅ 23
NA 61 230 1 моль – число Авогадро;
me=⋅ − г – масса электрона;
λ – длина волны света, 1 эВ ⇒ 1,24 мкм;
с 31 80=⋅ м/с – скорость света;
27
0,911 10
ν = λ/с = ω/2π – частота света;
32
BV==⋅
⎝⎠
2610 всм эВ
2
⎛⎞
2
⎜⎟
π
mk
e
VQ MkT
⎛⎞
⎝⎠
⎜⎟
⎜⎟
= π2 2 32
21
3
−−3 2
⋅
;
– квантовый объем частицы с массой М;
VQ 10 24 3см
= −− – квантовый объем атома водорода при Т = 300 К;
А – атомный вес в г/моль;
N – концентрация в 1/см3;
W – энергия падающего излучения в Дж/cм2;
q N wc Nh c== ν
– интенсивность излучения в Вт 2см ;
τ – длительность облучения;
P – давление в Па, 1 Па = 10 25дин см 10−=
Е – энергия в Дж/г, 1 эВ ⇒ 1,6 10−⋅
ρ – плотность в гс 3м ;
T – температура, 1 эВ ⇒ 11605 К;
t – время;
r – коэффициент отражения.
Основные сокращения
ЛИ – лазерное излучение;
УВ – ударная волна;
ВВ – взрывчатое вещество.
19 Дж;
бар;
⋅ = ⋅
27 эрг с 0,658 10 эВ с
⋅
эрг К 1,38 10 Дж К – постоянная Больцмана;
–
Стр.6
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Обозначения физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Основные сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Н. С. Захаров, В. Д. Урлин, Н. И. Шенцев. Глава 1. Физическая
картина взаимодействия ЛИ с конденсированными средами . . .
1.1. Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1. Передача энергии и импульса от фотонов к электронам
при падении света на вещество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
11
1.1.2. Уравнение состояния газовой плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3. Уравнение состояния конденсированного вещества . . . . . 15
1.1.4. Понятие о зонной структуре конденсированного
вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.5. Оптические свойства конденсированных диэлектриков
и металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
18
1.1.6. Обмен энергией между электронами и ионами . . . . . . . . . 20
1.1.7. Обмен энергией между электронами и решеткой . . . . . . . . 25
1.1.8. Температура электронов и решетки в металле . . . . . . . . . . 27
1.1.9. Явление пробоя (бурной ионизации) газов под действием
ЛИ. Электронная лавина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. Интенсивность, направленность, монохроматичность,
когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
32
29
1.1.10. Черное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2. Свойства лазеров, характерные для действия ЛИ
на вещество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2. Временной ход излучения лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.3. Модовые свойства лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.4. Пространственное распределение лазерного излучения . . 38
1.2.5. Особенности фокусировки лазерного излучения . . . . . . . . 40
1.3. Эффекты, вызываемые поглощением лазерного излучения
на поверхности непрозрачного материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
1.3.1. Нагрев в отсутствие фазового перехода . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.3.2. Профили температуры при нагреве лазерным импульсом
типичной формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3. Нагрев излучением лазеров непрерывного действия . . . . . 55
49
Стр.420
420
Содержание
1.3.4. Плавление под действием излучения лазера . . . . . . . . . . . . 56
1.3.5. Изменение оптических характеристик материалов
под действием мощного ЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
1.4. Образование ударных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
1.5. Испарение под действием лазерного излучения . . . . . . . . . . 66
1.5.1. Испарение под действием миллисекундных лазерных
импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2. Испарение импульсами лазера с модулированной
добротностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
72
1.6. Образование плазмы. Основные явления . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1.7. Газодинамика разлета в газовую среду облака плазмы,
возникающей на поверхности мишени при лазерном
воздействии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
1.7.1. Световая детонация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.7.2. Звуковой радиационный фронт с волной разрежения . . . . 81
1.7.3. Дозвуковой радиационный фронт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1.7.4. Взаимодействие ЛИ с мишенью в условиях сильно
разреженной атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8. Методы диагностики плазмы, образованной действием
мощного ЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
85
1.8.1. Фотографические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.8.2. Интерферометрические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.8.3. Спектроскопические исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.8.4. Рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
1.8.5. Импульсы давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Список литературы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
О. М. Величко, Н. С. Захаров, В. Д. Урлин, Б. П. Якутов.
Глава 2. Газодинамические эффекты и методы расчета
взаимодействия лазерного излучения с веществом . . . . . . . . . . . .
91
2.1. Физико-математическая модель поверхностного испарения . . 91
2.1.1. Метод численного расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.1.2. Численное изучение структуры и динамики разлета паров . . 102
2.1.2.1. Структура течения вещества в факеле . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.1.2.2. Импульс отдачи паров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1.2.3. Унос массы вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.2. Динамика поглощающей лазерной плазмы . . . . . . . . . . . . . . 115
2.2.1. Физико-математическая модель воздействия
в плазменных режимах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
Стр.421
Содержание
421
2.2.1.1. Качественное рассмотрение процессов в режимах
с плазмообразованием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.2.1.2. Постановка задачи и метод решения . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.2.2. Численное исследование течений лазерной плазмы
в воздухе различной плотности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
2.2.2.1. Структура и динамика лазерной плазмы . . . . . . . . . . . . . 126
2.2.2.2. Газодинамическое давление на мишени . . . . . . . . . . . . . . 134
2.3. Численное моделирование пространственных
нестационарных газодинамических течений . . . . . . . . . . . . . . . .
139
2.3.1. Общая характеристика пакета программ ВЕРА
для численного моделирования пространственных
нестационарных газодинамических течений . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Трехмерные нестационарные задачи взаимодействия
струи газа, вдуваемого с поверхности тела, с потоком воздуха,
обтекающего это тело . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
140
142
2.3.2.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.3.2.2. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.3.3. Метод расчета пространственного обтекания тел
неоднородным сверхзвуковым потоком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
150
146
2.3.3.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.3.3.2. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
2.4. Численное моделирование воздействия ультракоротких
лазерных импульсов на твердотельную мишень . . . . . . . . . . . . .
2.4.1. Модуль гидродинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.4.2. Модуль кинетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.4.3. Модуль расчета поглощения ЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
2.4.4. Модуль расчета рентгеновского излучения . . . . . . . . . . . . 155
2.4.5. Модуль уравнений состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
2.4.6. Реализация полного расчета лазерного воздействия . . . . . 156
Список литературы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Н. С. Захаров, Н. И. Шенцев. Глава 3. Нагрев и разрушение
неоднородных материалов под действием лазерного
излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.1. Теоретическая модель лазерного нагрева и разрушения
полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.1.1. Физико-химические процессы при лазерном облучении
полимерных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164
3.1.1.1. Поглощение лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1.1.2. Пиролиз связующего . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Стр.422
422
Содержание
3.1.1.3. Механизмы разрушения поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.1.2. Постановка задачи и основные уравнения . . . . . . . . . . . . . 170
3.1.3. Методика численного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.2. Исследование процессов взаимодействия лазерного
излучения с полимерными материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.1. Воздействие непрерывного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.1.1. Нагрев материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.1.2. Прококсовка и линейный унос поверхности . . . . . . . . . . 183
3.2.1.3. Баланс энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.2.1.4. Унос массы вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.2.2. Воздействие частотно-импульсного излучения . . . . . . . . . 200
3.2.2.1. Особенности расчета частотно-импульсного облучения . . 200
3.2.2.2. Примеры численных расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Список литературы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
О. М. Величко, В. Д. Урлин, Б. П. Якутов. Глава 4. Особенности
воздействия плазменного нагрева на сверхзвуковой газовый
поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.1. Физическая картина течения при вдуве газа с поверхности
тела в сверхзвуковой поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2. Оценка параметров течения в области взаимодействия
потоков вдуваемого газа и воздуха на основе законов
сохранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208
4.2.1. Схема течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.2.2. Основные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.2.3. Значение давления на участке вдува . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.4. Коэффициент увеличения давления при вдуве газа
в сверхзвуковой поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.3. Численное моделирование течения, вызванного вдувом
газа с участка поверхности тела в сверхзвуковой поток . . . . . . .
212
4.3.1. Постановка задачи в двух- и трехмерной геометрии . . . . . 212
4.3.2. Методика трехмерных расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.4. Результаты численного исследования пространственного
течения с сильным распределенным вдувом. Пример
конкретного расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.4.1. Геометрия задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.4.2. Особенности вдува . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.4.3. Уравнение состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.4.4. Квазистационарность взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.4.5. Картина пространственного течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Стр.423
Содержание
423
4.4.6. Профили давления на участке вдува . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.5. Расчетная модель взаимодействия тела с неоднородным
сверхзвуковым потоком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.5.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.5.2. Граничные и начальные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.5.3. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.6. Нестационарная пространственная картина течения
при взаимодействии неоднородного воздушного потока
с обтекаемым телом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.6.1. Деформация поверхности головной ударной волны . . . . . 226
4.6.2. Изменение параметров течения в ударном слое и
на поверхности тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
4.7. Аэродинамические силы, возникающие
при взаимодействии тела с неоднородными областями
в атмосфере. Аэродинамические коэффициенты . . . . . . . . . . . . . 233
4.7.1. Взаимодействие с разреженным полупространством . . . . 234
4.7.2. Взаимодействие с продольным разреженным каналом . . . 235
4.7.3. Взаимодействие с поперечным разреженным каналом . . . 236
Список литературы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Н. В. Бугров, Н. С. Захаров. Глава 5. Генерация токов
и электромагнитных полей в лазерной плазме . . . . . . . . . . . . . . . .
239
5.1. Физические механизмы генерации токов и
электромагнитных полей в лазерной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.2. Магнитные поля при воздействии микросекундных
лазерных импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.2.1. Расчет электромагнитных полей в лазерной плазме . . . . . 245
5.2.1.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.2.1.2. Метод решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.2.2. Примеры расчетов, сравнение с экспериментами . . . . . . . . 249
5.3. Магнитные поля при воздействии наносекундных
лазерных импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.3.1. Особенности генерации и расчета магнитных полей
при наносекундном лазерном воздействии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.3.2. Пространственно-временная структура магнитных полей
в плазменном факеле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
5.3.3. Амплитудные характеристики магнитных полей лазерной
плазмы при различных условиях воздействия . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4. Магнитное поле вне плазменного факела . . . . . . . . . . . . . . 278
Список литературы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
272
Стр.424
424
Содержание
Н. В. Бугров, О. М. Величко, Н. С. Захаров, В. Д. Урлин,
Б. П. Якутов. Глава 6. Воздействие суперкоротких лазерных
импульсов на вещество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
6.1. Физико-математическая модель взаимодействия
наносекундных лазерных импульсов с конденсированными
средами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Особенности образования и развития плазменного факела
над поверхностью мишени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
296
6.3. Особенности формирования лазерных ударных волн
в конденсированных средах. Откольные разрушения мишеней . . . 303
6.4. Приповерхностная плазма твердотельной плотности,
создаваемая лазерным импульсом фемтосекундной
длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.4.1. Расчетно-теоретическая модель взаимодействия
лазерных импульсов фемтосекундной длительности
с твердотельной мишенью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.4.2. Модель поглощения P- и S-поляризованного
ультракороткого импульса плотной плазмой . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.4.3. Рентгеновское излучение приповерхностной
фемтосекундной плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.4.4. Характерные параметры и свойства фемтосекундной
лазерной плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.4.5. Взаимодействие Р- и S-поляризованного излучения
с неоднородной плазмой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.4.6. Отражение лазерных импульсов фемтосекундной
длительности приповерхностной плазмой . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.7. Генерация пикосекундных рентгеновских
импульсов ФЛП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
329
332
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Список литературы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
А. В. Никонов, И. П. Суханов, Н. И. Шенцев. Глава 7. Действие
лазерного излучения на оптические материалы . . . . . . . . . . . . . . . 337
7.1. Физическая модель взаимодействия лазерного излучения
с оптическими материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
7.1.1. Типы оптических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
7.1.2. Физические процессы взаимодействия ЛИ с оптическими
материалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
7.1.2.1. Факторы, влияющие на характер повреждений
оптических материалов при лазерном воздействии . . . . . . . . . . . 341
Стр.425
Содержание
7.1.2.2. Механизмы разрушения оптических материалов
лазерным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
425
348
7.2. Тепловое действие лазерного излучения на оптические
материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
7.2.1. Методы расчета температурных полей . . . . . . . . . . . . . . . . 350
7.2.2. Оценка эффекта "оплавления" поверхности оптического
материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
356
7.2.3. Расчет температурных напряжений в оптических
материалах в процессе и после воздействия лазерного
излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
359
7.3. Воздействие лазерного излучения на оптические
материалы в режимах с образованием плазмы . . . . . . . . . . . . . . . 371
7.3.1. Фокусировка излучения на лицевой поверхности
стеклянной пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
7.3.2. Фокусировка излучения на тыльной поверхности и
в объеме стеклянной пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
7.3.3. Пороги пробоя для некоторых оптических материалов . . . 382
Список литературы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Н. С. Захаров. Глава 8. Горение и инициирование химически
активных сред под действием лазерного излучения . . . . . . . . . . . . 385
8.1. Теоретическая модель лазерного зажигания и горения
химически активных конденсированных сред . . . . . . . . . . . . . . .
385
8.1.1. Физико-химические процессы при лазерном
инициировании химически активных веществ и кинетика
их горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
8.1.2. Постановка задачи и основные уравнения . . . . . . . . . . . . . 391
8.1.3. Метод численного решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
8.1.4. Примеры расчетов. Сравнение с литературными
данными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
399
8.2. Численное исследование процессов лазерного горения
химически активных сред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
8.2.1. Воздействие непрерывного лазерного излучения . . . . . . . . 405
8.2.1.1. Профили температур и концентраций продуктов
горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
405
8.2.1.2. Скорость лазерного горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
8.2.1.3. Влияние оптико-физических характеристик
на процессы зажигания и горения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2. Воздействие импульсно-периодического излучения . . . . . 414
Список литературы к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
411
Стр.426
Тепловые, гидродинамические и плазменные эффекты
при взаимодействии лазерного излучения с веществом
Монография
Под общей редакцией
Николая Семеновича Захарова
Виталия Дмитриевича Урлина
Николая Ивановича Шенцева
Редактор В. М. Тагирова
Корректор М. В. Кривова
Компьютерная подготовка оригинала-макета С. Н. Фролова
Подписано в печать 22.06.04 Формат 60х84/16 Печать офсетная
Уч. изд. л. ∼24 Усл. печ. л. ∼ 25 Тираж 700 экз.
Зак. тип. 2186-2003 ПД № 00568 от 22.05.2000
Отпечатано в ИПК ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ"
607190, г. Саров Нижегородской обл.
Стр.427