WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

УДК 536.421.1 Кучерик Алексей Олегович ДИАГНОСТИКА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ ЛАЗЕРНОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЕЩЕСТВА С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО МОНИТОРА И ОБРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВОЗНИКАЮЩИХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ Специальность: 01.04.21 — Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владимир 2006

Работа выполнена на кафедре физики и прикладной математики Владимирского государственного университета.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, профессор В.Г. Прокошев.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.Ф. Банишев доктор физико-математических наук, профессор В.И. Шмальгаузен

Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится " 23 " ноября 2006 г. в 16 часов в аудитории им. С.А. Ахманова, Корпуса нелинейной оптики на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ул. Академика Хохлова, дом 1, Корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " " октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физико-математических наук, доцент Т.М. Ильинова - 2 I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лазерный проекционный микроскоп реализован на практике в 1973 г., в качестве усилителя яркости изображения использовался импульсно-периодический лазер на парах меди. В начале 1990-х годов основные исследования лазерных проекционных микроскопов с различными лазерами на парах металлов были завершены. Ожидалось, что лазерные проекционные микроскопы найдут широкое применение в микроэлектронике, лазерных технологиях, медицине и т.д.

Однако, по-видимому, единственным применением лазерных проекционных микроскопов, успешно развивающимся в настоящее время, является их применение для наблюдения в реальном времени зон взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно во время взаимодействия. Основной фактор, затрудняющий наблюдение этих зон обычными методами заключается в образовании над ними ярко светящейся плазмы.

Поскольку в подобных наблюдениях основным фактором является возможность наблюдения поверхностей, экранированных от наблюдателя интенсивно светящимися слоями плазмы, а не возможность сильного увеличения изображения наблюдаемой поверхности, был введен термин «лазерный монитор», подчеркивающий ту отличительную способность лазерных проекционных микроскопов, которая позволяет их использовать в рассматриваемом случае.

Интересные и важные научные результаты получены при исследовании плавления сфокусированным лазерным излучением некоторых металлов. Так, например, процесс плавления титана сопровождается образованием перед перемещающейся границей расплава окисной пленки, а на поверхности расплава свинца и титана во время воздействия на них лазерного излучения образуются капиллярные волны.

Отмечены особенности эволюции поверхности алюминиевой мишени в результате переноса энергии из плазмы, определены условия замыкания тока на катодах вакуумной дуги и многое другое. И хотя эти наблюдения нуждаются в дальнейшем продолжении, перспективность и актуальность их проведения не вызывает сомнений.

Целью работы является диагностика лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества с помощью лазерного монитора и - 3 анализ пространственно-временных характеристик на основе обработки оптических изображений.

Методы исследования. В работе использовались современные методы динамической лазерной микроскопии, обработки оптических изображений, методы нелинейной динамики и математические методы фрактальной геометрии.

Научная новизна работы заключается в том, что в результате проведенных исследований получены новые экспериментальные результаты:

1. Получены при помощи лазерного усилителя яркости в реальном времени и классифицированы динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество при различных режимах процессов протекающих на поверхности под действием лазерного излучения (ламинарное течение, турбулентное течение, сублимация поверхности).

2. Для оптических изображений области лазерного воздействия в режиме выплеска расплава получен спектр пространственных частот, имеющий линейный участок, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности излучения. Проведен сравнительный анализ спектров.

3. На основе методов фрактальной геометрии и теории информации рассчитаны характерные параметры, определяющие степень хаотизации оптических изображений области лазерного воздействия. Показана зависимость параметров от плотности мощности падающего излучения и состояния поверхности.

4. Обнаружен хаотический характер низкочастотных гидродинамических колебаний индуцированных лазерным излучением.

Показано, что в спектре мощности наблюдается субгармонический каскад удвоения периода колебаний.

5. Восстановленные фазовые портреты имеют качественные и количественные характеристики, подтверждающие сценарий хаотизации гидродинамических частот через разрушение двумерного тора, показана зависимость характерных параметров фазовых портретов от плотности мощности лазерного излучения.

6. Предложен и реализован метод восстановления вероятного вида трехмерных рельефов поверхности образца на основе его двумерного изображения. С использованием методов статистики Херста рассчитаны коэффициенты корреляции восстановленных рельефов.

- 4 Практическая ценность работы:

1. Лазерная диагностическая система позволяет проводить наблюдение области взаимодействия лазерного излучения с веществом в реальном времени в пространственных и временных масштабах, характерных для технологических процессов, что дает возможность их детального исследования.

2. Предложенные методы обработки оптических изображений поверхности позволяют разделять режимы состояния поверхности расплава, что делает возможным управление в реальном времени различными лазерными технологическими процессами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При взаимодействии лазерного излучения с плотностью мощности 105Вт/см2-107Вт/см2 с металлами (сталь, титан, свинец и др.) в ванне расплава наблюдается турбулентное течение. Спектр пространственных частот, рассчитанный по изображениям гидродинамического течения, индуцированного лазерным излучением на поверхности вещества имеет линейный участок, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности излучения. В качестве количественных характеристик, определяющих степень хаотизации поверхности в области лазерного воздействия, могут быть использованы фрактальные и информационные размерности соответствующих оптических изображений.

2. При установившемся режиме воздействия лазерного излучения с плотностью мощности порядка 104Вт/см2 с расплавами металлов, Фурье-спектр низкочастотных гидродинамических колебаний, возбуждаемых в каверне имеет хаотическую природу. Определен сценарий хаотизации гидродинамических колебаний через субгармонический каскад удвоения периода. Качественные и количественные характеристики фазовых портретов подтверждают развитие в ванне расплава маломерного хаоса.

3. Для процессов взаимодействия лазерного излучения с графитовыми образцами при температуре не превышающей 4000К и давлении близком к атмосферному, наряду с твердофазным разрушением поверхности, зафиксировано плавление. Для определение свойств поверхности в процессе воздействия разработана оригинальная методика восстановления трехмерного рельефа поверхности по двумерным оптическим изображениям полученным при помощи лазерного монитора.

Апробация работы Основные результаты работы опубликованы в научных журналах «Известия РАН. Серия физическая», «Доклады академии наук», «Laser Physics», докладывались на Международной конференции LANE’(Эрланген, Германия, 2001), VII Междунар.конф. «Лазерные и лазерноинформационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения» - 5 (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), II Российско-французском лазерном симпозиуме «Современные направления в лазерной физике:

спектроскопия, квантовые эффекты и атомная оптика, оптические изображения и информация», (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), Международной конференции LAT-2002 (Москва, Россия, 2002), Международной конференции ILLA-2003 (Смолян, Болгария, 2003), Международной конференции Laser Optics-03 (Санкт - Петербург, Россия, 2003), First Russian–French Laser Physics Workshop for Young Scientists (Санкт - Петербург, Россия, 2004), International symposium Modern Problems of Laser Physics’04 (Новосибирск, Россия, 2004), Международной конференции LAT-2005 (Санкт - Петербург, Россия, 2005). По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 9 статьи и 11 тезисы докладов.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 9 статей и 11 тезисов докладов.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, в том числе 9 работ автора и двух приложений. Материал диссертации изложен на 125 страницах, сопровождается 54 рисунками и 7 таблицами.

Личный вклад Все полученные в диссертации результаты получены автором либо лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач, интерпретации и обсуждении результатов.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, определена методическая основа исследований, изложена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое содержание работы по главам.

В первой главе дается краткий обзор научной литературы по основным гидродинамическим процессам, развивающимся при воздействии лазерного излучения на поверхность различных материалов.

Рассмотрены условия развития стохастических автоколебаний в ванне расплава и методы их анализа базирующиеся на таких разделах современной математики как нелинейная динамика, фрактальная геометрия.

В параграфе §1.1. сформулирована в общем случае система уравнений, описывающая процесс тепло-массопереноса расплава.

Показано, что при определенных значениях безразмерных параметров - 6 возможно развитие многовихревого течения при локальном нагреве сверху.

В параграфе §1.2. приведены экспериментальные результаты, полученные на стальном образце, подтверждающие рассмотренные в параграфе §1.1 общие принципы формирования многовихревого течения.

Рассмотрены также работы других авторов, в которых численно моделируется процесс распада одновихревого движения жидкости в ячейке при локальном нагреве сверху. Определена зависимость характера течения от скорости нагрева и размеров ячейки.

Параграф §1.3. посвящен вопросам развития стохастических автоколебаний в гидродинамических экспериментах при нагреве жидкости. Обозначены основные возможности установления автоколебательного режима движения жидкости.

В параграфе §1.4. рассматриваются методы анализа гидродинамических процессов с использованием подходов нелинейной динамики. На примере системы Лоренца описывается понятие динамического хаоса. Приведены качественные и количественные признаки хаотического поведения динамической системы.

Во второй главе представлен лазерный диагностический комплекс для возбуждения и изучения процессов на поверхности материалов.

Исследованы гидродинамические явления, протекающие в области воздействия в режиме выплеска расплава, показано изменение их характера с изменением средней мощности лазерного излучения, предложены характерные параметры оптических изображений поверхности, позволяющие классифицировать протекающие на поверхности процессы по классам хаотизации. Изучен процесс формирования волн на поверхности расплава при кристаллизации после окончания действия лазерного импульса.

В параграфе §2.1. сформулирована теоретическая модель, разрешающая корректно качественно и количественно описывать протекающие в области лазерного воздействия гидродинамические процессы. Рассчитаны безразмерные критерии, позволяющие определить, что в ванне расплава развивается турбулентность.

В параграфе §2.2. рассмотрен лазерный диагностический комплекс (см. рис. 1.), состоящий из YAG:Nd3+ ( = 1.06 мкм) лазера, работающего в импульсно периодическом режиме (длительность импульса =1.5 2.5 мс, частота следования импульсов f =150 Гц) в диапазоне мощности от 10 до 100Вт, излучением которого производилось воздействие на образцы;

лазера на парах меди CVL-10 с частотой следования импульсов f=16 кГц, для диагностики лазерно-индуцированных процессов; оптической системы для формирования изображения области лазерного воздействия и - 7 фокусирования излучения силового лазера; системы регистрации на основе скоростной SMOS-камеры VS-Fast; управляющего компьютера для контроля лазерно-индуцированных процессов и их регистрации; сервера, хранящего изображения области лазерного воздействия, полученные в различных экспериментах.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»