Силовая оптика (стр. 4 )

1.3.3. Термические деформации

Выражение для термической деформации отражающей поверхности в случае воздействия лазерным импульсом прямоугольной формы, длительность которого удовлетворяет условию FO<<1, имеет вид [21]:

                                                (1.24)

Распределение термодеформации отражающей поверхности повторяет распределение интенсивности лазерного излучения, что было использовано в предложенном нами методе динамического контроля распределения интенсивности лазерного излучения [27].

1.4. И-П режим воздействия.

Анализ явлений термодеформирования твердого тела И-П лазерным излучением был проведен на основе полученных ранее соотношений типа интегралов Дюамеля. Лучевой поток нами принимался как цуг прямоугольных импульсов длительности τ, с периодом Т (частотой ) и скважностью SQ V=τ/Т. При этом предполагалось, что величина FO=4K0a2T<1. Величина возникащих при этом термических напряжений, деформации и температур выражались через характерные для непрерывного режима величины интегралами типа Дюамеля [28]:

                                                                (1.25)

В начальные моменты времени, т. е. когда величина FOt*<1, И-П режиму воздейсвия лазерного излучения на вещество свойственны черты импульсного режима. Геометрический смысл (1.25) характеризуется площадью фигур на рис. 1.10. (Для температуры и компонентов σφφ и σrr величина стремится к бесконечности как при и к нулю при для деформации стремится к const при и к нулю при ). Для больших времен, т. е. когда FOt*>1, температура и термические напряжения достигают своих «квазистационарных состояний», т. е. существует постоянная составляющая этих величин, такая же как при непрерывном режиме ввода энергии с приведенной интенсивностью I0SQV  и на фоне этой составляющей, в такт с изменением интенсивности лазерного пучка будет существовать характерный пик температуры и напряжений, как и при импульсном воздействии. Отдельный «импульс» термодеформации отражающей поверхности будет существовать на фоне стремящейся к бесконечности «стационарной составляющей».

1.4.1. Поле температур

Выражение для температуры имеет вид  [21]

                        (1.26)

где N − число прошедших лазерных импульсов, т. к. для цуга лазерных импульсов

                                                (1.27)

Непосредственно в центре зоны облучения температура достигает максимального значения к моменту окончания очередного импульса (FO>1):  (1.28)

1.4.2.Термические напряжения

Максимальное значение радиального и окружного напряжения достигается в центре зоны облучения, где их значения равны между собой были представлены в виде

                                                                (1.29)

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 λ/20, где λ − 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 σii 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 λ/20, где λ − 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: