Принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени

Пучок стимулированного лазерного излучения имеет очень малый угол расходимости, отсюда мощность излучения, приходящаяся на единицу телесного угла оказывается очень высокой и превосходит мощность всех других известных источников. Существует возможность фокусировки лазерного излучения с помощью элементов прикладной оптики (линзы, зеркала и т.п.) и телескопических систем, что позволяет получать пятно малых размеров и высокую плотность излучения. При этом увеличение интенсивности излучения происходит более чем на три порядка [31].

Лазерное излучение, сфокусированное на мишень, может вызвать ее необратимые изменения в зависимости от интенсивности излучения и природы мишени. Важным фактором является также продолжительность излучения, т.е. плотность падающего излучения. Если плотность достаточно высока, то вещество будет испаряться независимо от его физических свойств. Количество вещества, испаряемое под воздействием лазерного импульса, зависит от свойств мишени, ее поверхности и параметров лазерной системы — площади фокального пятна, расходимости лазерного пучка и фокусного расстояния оптической системы.

Взаимодействие лазерного излучения с веществом мишени имеет сложный характер. Часть энергии излучения лазера поглощается поверхностным слоем, в результате температура этого слоя повышается до точки кипения и начинается испарение, в то же время происходит отвод тепла во внутренние области материала.

При плотностях излучения более 10⁹ Вт/см² все материалы (металлы и диэлектрики) переходят в состояние, характеризующееся сильным поглощением. Температура паров, уходящих с поверхности образца, выше температуры кипения. Пары оказываются ионизованы и их скорость с поверхности превышает 10⁶ см\с. Над поверхностью образуется плазма, которая вследствие большой проводимости сильно поглощает часть энергии падающего лазерного излучения. При медленных затворах, малой частоте следования импульсов поверхность успевает возвращаться к исходному твердому состоянию. При дистанционном зондировании мишени важным обстоятельством является также то, что земная атмосфера прозрачна в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 1мкм, что позволяет с целью ионизации вещества эффективно использовать ИАГ:Nd³⁺ лазеры с пиротехнической лампой накачки. Важным свойством лазерного излучения является также тот фактор, что энергия лазерного излучения переносится со скоростью 3*10⁸м\с, а гравитационное поле Земли практически не влияет на траекторию лазерных пучков.

Если ограничиться схематичным описанием механизма взаимодействия лазерного излучения с веществом мишени, то для этого процесса наиболее важными параметрами являются длительность лазерного импульса и температуропроводность материала мишени [32]. Термодинамические характеристики некоторых материалов приведены в табл.2.2.1.

Коэффициент температуропроводности имеет размерность см/с², с помощью которого можно определить за какое время сможет прогреться слой вещества толщиной Δ:

В табл. 2.2.2 приведены теплофизические свойства некоторых материалов.

Если, например, толщина мишени, содержащей алюминий, равна 4мм, то время прогревания составляет величину

Если известна длительность лазерного импульса τ, то можно определить на какую глубину проникает тепло при импульсном прогреве поверхности

. (2.2.1.)

Таблица 2.2.1

При t=0,83 см (для алюминия) и длительности (в режиме модулированной добротности) τ_имп = 10^-9с, Δ = 9,1 * 10^-4см.

Таким образом, вся энергия лазерного излучения поглотится в слое Δ, который может успеть расплавиться, испариться, ионизоваться, а весь остальной материал может остаться холодным. В этом случае интерес представляет излучение в виде цуга импульсов (пичков), что реализуется при «длительной» пиротехнической накачке в режиме медленной модулированной добротности. Для прогрева всей толщины поверхности равной 4мм, необходимо n = 0,4/9,1 * 10^-4 = = 4,4*10⁴ пичков, а время накачки должно составлять величину , что легко может быть достигнуто при сгорании пиротехнических шашек, так как при известной скорости сгорания время горения может быть увеличено за счет увеличения длины шашки.

Таблица 2.2.2

Вместе с тем, возникает необходимость учитывать экранирование (рас сеяние, поглощение и т.п.) энергии каждого последующего импульса (пичка) на лазерной плазме, образованной за счет воздействия каждого предыдущего импульса (пичка).

Следовательно, характерное время Е, необходимое для прогрева толщины мишени Δ определяется как:

. (2.2.2.)

Если длительность лазерного импульса τ<<Т (режим модулированной добротности), то процесс взаимодействия характеризуется импульсным ударом и выбросом вещества за счет испарения.

В рассматриваемом случае мишень представляет слой грунта, помещенный в кварцевую кювету. Важной стороной эксперимента является: не допустить разрушение контролируемого образца за счет воздействия на него импульсного удара.

Если световой пучок падает на плоскую поверхность и нагревает слой материала толщиной δ (г/см³), плотность энергии пучка Q (Дж/г) настолько велика, что удельный энерговклад q (Дж/г) существенно выше теплоты испарения. Слой δ испаряется и нагревается до температуры, которой соответствует средняя скорость молекул

. (2.2.3)

Образованный газовый слой распространяется в пространстве, передавал поверхности мишени удельный импульс (принцип реактивного движения), величина которого определяется как

. (2.2.4)

В результате материал оболочки мишени приобретает скорость

, (2.2.5)

где: d - эффективная толщина оболочки мишени (г/см²). Допустимая скорость (не превышающая порога разрушения) должна составлять величину

, (2.2.6)

где: α ~ 10^-2, Сзв - скорость звука в кварцевом стекле.

Как уже рассматривалось ранее, существуют физические ограничения на параллельность лазерного пучка. Минимальная расходимость пучка определяется дифракционным пределом

θ ~ λ/D, (2.2.7.)

где: λ - длина волны излучения лазера, D - диаметр соответствующего фокусирующего зеркала.

В фокальной плоскости в результате фокусировки образуется пятно поперечным размером

, (2.2.8.)

где: R - фокусное расстояние зеркальной системы.

Важно также, чтобы размер пятна был меньше эффективного диаметра зеркала, в противном случае тепловые нагрузки на зеркало могут привести к его разрушению.

Предельный радиус поражения лазера данного типа при соответствующем размере зеркала определяется как

. (2.2.9.)

В случае, если мишень находится ближе предельного радиуса, то плотность энергии на мишени может быть вычислена из соотношения

, (2.2.10)

где: w - мощность источника, τ - длительность импульса, R - расстояние до мишени, θ - угол расходимости лазерного излучения.

Если Q=q₀, где q₀ - энергетический порог поражения мишени, то

. (2.2.11)

Как видно из приведенного соотношения, для достижения энергетического порога не приводящего к разрушению мишени необходимо уменьшать мощность лазерного источника, что достигается за счет уменьшения мощности лампы накачки.