Силовая оптика (стр. 4 )

где определяется из (1.16).

Распределение поля напряжений на поверхности к моменту окончания действия очередного лазерного импульса определяется:

(1.30)

где и определяются из (1.16), из (1.21). Так как в стационарном напряженном состоянии и тождественно равны нулю, их значения при И-П воздействии лазерного излучения будут такими же, как и при импульсном (точность ~SQV).

1.4.3. Деформация поверхности

Величина смещения поверхности твердого тела при И-П воздействии лазерного излучения также имеет стационарную и импульсную составляющие и представляется в виде [21]:

В случае достижения «квазистационарного» состояния:

(1.31)

1.5. Критерии стабильности оптической поверхности.

Приведенные выражения характеристик термонапряженного состояния твердого тела, поверхность которого облучается непрерывным, импульсным и И-П потоками мощного лазерного излучения позволили нам определить предельные интенсивности, соответствующие разным стадиям оптического разрушения зеркальных поверхностей [21,29]. При этом в параметры стабильности оптических поверхностей входят не только теплофизические и механические характеристики материала, но и параметры гауссоподобного пучка, а именно, интенсивность в центре зоны облучения, размер зоны облучения, а также длительность отдельного импульса и, в случае И-П излучения − скважность цуга импульсов. Параметры стабильности отражателя содержат отношение значения достигаемой максимальной величины характеристики термонапряженного состояния к значению этой величины, при котором происходят необратимые макроскопические изменения с материалом твердого тела, а именно: плавление, пластическое, хрупкое либо усталостное разрушение, или достижение величиной термической деформации оптической поверхности критического значения l/20, где l − длина волны используемого лазерного излучения. Введенные таким образом параметры стабильности зеркальных поверхностей ЭСО позволили не только производить сравнение различных чистых металлов и их сплавов с точки зрения применимости в силовой оптике, но и создавать конкретные виды комбинированных ЭСО для мощных потоков непрерывного, импульсного и И-П лазерного излучения.

1.5.1. Непрерывный режим.

Основными механизмами разрушения твердого тела при воздействии на его поверхность непрерывного лазерного излучения является достижение полем температур в центре зоны облучения температуры плавления материала и компонентами поля напряжений - предела текучести. Стабильность оптической поверхности при непрерывном режиме облучения характеризуется параметрами:

(1.32)

Смысл введенных параметров заключается в том, что если и , то необратимых изменений с материалом вещества происходить не будет. Значение этих параметров при использовании непрерывного лазерного излучения с кВт/см2 и м−2 представлено в таблице 1 для Cu, Al и Mo. О том, какой из механизмов является определяющим при повреждении оптической поверхности можно определить из соотношения:

(1.33)

Если то основным является достижение компонентом sii предела текучести; в противном случае − достижение температуры плавления материала.

Для рассматриваемых веществ (см. табл. 1) основным, реализуемым при более низком уровне интенсивности лазерного излучения, является механизм ухудшения свойств оптической поверхности за счет необратимых пластических деформаций ЭСО в центре зоны облучения. Существует еще одна возможность ухудшения качества оптической поверхности, являющаяся основной при больших временах экспозиции мощного лазерного излучения и реализуемая в области упругого поведения материала, а именно − превышение величиной термической деформации оптической поверхности критического значения l/20, где l − длина волны лазерного излучения. При этом фазовые и энергетические характеристики отраженного лазерного пучка значительно ухудшаются. Критерием стабильности оптической поверхности к такому виду изменения оптических характеристик отражателя является параметр:

(1.34)

Из представленного выражения следует, что для любого уровня интенсивностей существуют такие значения времен экспозиции, что . Достижение параметром значений, меньших 1, удалось достигнуть в некоторых видах конструкций отражателей, включающих эффективную систему охлаждения [30].

1.5.2. Импульсный режим.

Параметры стабильности качества оптической поверхности при импульсном облучении гауссоподобным лазерным пучком длительности t и интенсивности I0 в центре зоны облучения, определенные по способности достижения температурой термонапряжениями и термодеформацией критических значений Tпл, sт и l/20 имеют вид [29]:

(1.35)

Значения параметров , и , определенные для меди, алюминия и молибдена при значениях I0A = 1 кВт/см2, K0 = 2,82×102 м−2, t=50 мксек, а также значения тепловых потоков I0А, при которых представлены в таблице 1. В непрерывном режиме основным является механизм ухудшения свойств оптической поверхности за счет необратимых пластических деформаций в центре зоны облучения. При импульсном облучении характер термонапряженного состояния оказывается более сложным, чем при непрерывном облучении. Так в отличие от стационарного термонапряженного состояния, в нестационарном состоянии в материале твердого тела значения компонентов szz и srz отличны от 0. При этом наибольшего значения достигает компонент szz на оси 0z на расстоянии ~0,66r0 от оптической поверхности. Если его значение при некотором уровне приведенных интенсивностей I0A превышает значение модуля прочности sB, то возможна реализация условий хрупкого разрушения, при котором будет происходить отслаивание поверхностного слоя материала ЭСО. Параметр стабильности оптической поверхности для такого вида разрушения имеет вид:

а параметр стабильности, определенный по отношению к пластической деформации, имеет следующий вид:

(1.36)

Величины параметров и значения соответствующих им интенсивностей для Al, Mо, Сu приведены в табл. 1. Оказалось, что в импульсном режиме этот механизм является одним из основных при потере стабильности оптических свойств ЭСО.

1.5.3. И-П режим.

Характер термонапряженного и термического состояния твердого тела, поверхность которого облучается И-П лазерным излучением, также сочетает в себе характерные особенности термонапряженных состояний, реализуемых при импульсном и непрерывном облучениях. При этом для полей температур, полей компонентов srr и sjj тензора напряжений и полей термодеформаций, реализуемые термическое и напряженное состояния, являются комбинацией нестационарного и стационарного состояний. Поэтому параметры стабильности отражающих поверхностей, определяемые по способности достижения температурой точки плавления материала, компонентами srr и sjj предела текучести sт и термодеформациями порогового значения l/20, имеют вид [21]:

(1.37)

То есть, варьируя значения t и SQV цуга импульсов, можно добиться нарушения качества оптической поверхности за счет механизмов, свойственных импульсному, либо непрерывному режимам, и таким образом реализовать условия наибольших предельных интенсивностей, при которых качество оптической поверхности останется неизменным.