Букин В.В., Гарнов С.В., Малютин А.А., Стрелков В.В.

Интерферометрическая диагностика фемтосекундной лазерной микроплазмы в газах

Аннотация:
В работе представлены результаты экспериментальных исследований лазерной плазмы, возникающей в газовых средах при их оптическом пробое остросфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами. В качестве метода пространственно-временной диагностики плазмы выбрана зондирующая микро-интер-ферометрия. Получены временные зависимости электронной плотности лазерной плазмы от времени. Показано, что при пробое различных газов (воздух, азот, аргон и гелий) под различным давлением (в диапазоне от 1 до 10 атм) концентрация электронов продолжает нарастать после окончания лазерного воздействия. Данное явление постионизации связывается с ударной ионизацией плазмы горячими электронами, сформированными во время взаимодействия интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществом. Приведены результаты теоретического моделирования процессов постионизации.
(скачать PDF)
Ключевые слова: интерферометрия, фемтосекундная лазерная плазма
Keywords: interferometry, femtosecond laser plasma

Царькова О.Г., Цветков В.Б., Рухадзе А.А., Гарнов С.В., Назаренко В.В., Носатенко П.Я.

Аннотация:
Проведен анализ воздействия лазерного излучения с длинной волны 1.3 мкм, мощностью 25 кВт, площадью пятна 9 см² и длительностью 1 с на образцы углерод-карбид-кремниевого композиционного материала (УККМ). Показано, что появление эрозионного приповерхностного факела над облучаемой поверхностью из паров вещества, продуктов горения, капель и микрочастиц различного химического состава и размера приводит к потерям значительной части энергии лазерного излучения. Определена доля рассеянного и поглощенного лазерного излучения в возникающем факеле; проведены оценки распределения микрочастиц в факеле по размеру и массе; рассчитана их концентрация; оценены скорости вылета микрочастиц с облучаемой поверхности образца УККМ.
(скачать PDF)
Ключевые слова: углерод-карбидокремниевый композиционный материал, лазерное излучение, эрозионный факел, частицы микронного размера, скорости вылета частиц, концентрация частиц, поглощение и рассеяние света эрозионным факелом.
Keywords: carbon silicon carbide composite material (CSCCM), laser radiation, ablation plume, micrometer size particles, speed of a particle departure, concentration of the particles, absorption and scattering of the laser radiation by an ablation plume

Царькова О.Г., Рухадзе А.А., Тараканов В.П., Цветков В.Б., Гарнов С.В., Назаренко В.В., Носатенко П.Я., Выскубенко Б.А.

Оценки коэффициента поглощения конструкционного материала при неизвестных потерях в эрозионном факеле при лазерной абляции

Аннотация:
В статье представлены результаты компьютерного моделирования процессов лазерного нагрева образцов углерод-карбид-кремниевого материала (УККМ) нагреваемого в воздухе (до температур выше 2000°С за время 1 с) ИК лазерным излучением с длиной волны 1.3 мкм и интенсивностью 3 кВт/см² в при присутствии экранирующего эрозионного факела. Проведенное с помощью программы КАРАТ моделирование в сопоставлении с полученными экспериментальными зависимостями пространственно-временных полей температур образцов позволило определить эффективный коэффициент поглощения материала, потери энергии в эрозионном факеле и, следовательно, степень его влияния на нагрев и абляцию исследуемого материала.
(скачать PDF)
Ключевые слова: углерод-карбидокремниевый композиционный материал (УККМ), высокомощное непрерывное лазерное излучение, численное моделирование температурного поля, программа КАРАТ, двухволновой пирометр, термопара, потери (поглощение и рассеяние) лазерного излучения в эрозионном факеле, коэффициент поглощения образца, эффективный коэффициент поглощения образца.
Keywords: carbon silicon carbide composite material (CSCCM), high-power continuous laser radiation, numerical modeling of a temperature field, KARAT code, two-wave pyrometer, thermocouple, losses of laser radiation in an ablation plume, absorptivity, effective absorptivity

Гарнов С.В., Епифанов А.С., Никифоров А.М.

Аннотация:
Теоретически исследовано влияние разогрева кристаллической решётки лазерными импульсами на динамику генерации электронной плазмы в прозрачных твёрдых диэлектриках. В зависимости от типа эффективных (с точки зрения поглощения электронами энергии из поля) фононов и длительности лазерного импульса предложены варианты вклада разогрева фононов в динамику электронной лавины. Произведён сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования (методом Монте-Карло) разогрева электронного газа в лазерном поле, полученных в предположении холодной и греющейся решётки. Показано, что учёт влияния разогрева решётки на вероятности процессов электрон-фононного и электрон-фонон-фотонного рассеяния приводит к возрастанию постоянной развития лавины, выраженному сильнее при бoльших длинах волн падающего излучения и в более длинных лазерных импульсах. Выявлены качественные особенности перераспределения поглощённой за время импульса энергии между электронной плазмой и кристаллической решёткой, которые позволяют делать выводы относительно начала инициации необратимых микроскопических изменений в диэлектрике. В частности, для различных начальных температур решётки вычислено отношение энергии, запасённой в электронной подсистеме, к избыточной по отношению к исходному равновесному состоянию энергии в фононной подсистеме. Показано, что при использовании схемы моделирования без учёта разогрева решётки отношение энергий растёт с уменьшением длины волны лазерного излучения, а при учёте разогрева решётки убывает при всех рассмотренных длительностях импульса.
(скачать PDF)
Ключевые слова: прозрачные твёрдые диэлектрики, собственные механизмы оптического пробоя, ударная лавинная ионизация, разогрев кристаллической решётки
Keywords: transparent solids, intrinsic damage mechanisms, avalanche ionization, lattice heating

Першин С.М., Леднев В.Н., Бункин А.Ф.

Лазерная абляция сплавов: физика селективного испарения компонентов

Аннотация:
Предложен и экспериментально обоснован физический механизм нарушения стехиометрии состава плазмы при лазерной абляции многокомпонентных сплавов. При анализе образцов четырехкомпонентной бронзы в разных режимах возбуждения и регистрации спектра лазерной плазмы установлено, что нарушение соотношения элементов в плазме при лазерном испарении происходит на стадии нагрев-плавление-испарение расплава из-за селективного испарения компонент. Рассчитаны коэффициенты коррекции спектра плазмы, пропорциональные энергии выхода пара компонентов сплава в цикле нагрев-плавление-испарение. Коррекция линий в спектре обеспечила хорошее соответствие измеренного состава образца и табличных данных. Для проверки универсальности предложенного подхода были проанализированы сплавы на основе алюминия и железа (высоколегированные нержавеющие стали). Было обнаружено, что для алюминиевых сплавов селективное испарение наблюдается в меньшей степени по сравнению с бронзами. Селективность испарения была незначительной в случае нержавеющих сталей. Предложенный механизм селективного испарения при лазерной абляции и применение коррекции спектра свечения плазмы снимают необходимость использования эталона в количественном анализе элементного состава сложных образцов: бронзы, сплавы алюминия.
(скачать PDF)
Ключевые слова: лазерная абляция, лазерная плазма, селективное испарение, количественный анализ состава
Keywords: laser ablation, laser plasma, selective evaporation, quantitative analysis