Рис. 2в. Сверление отверстий лазерным излучением: продольное сечение цилиндрических отверстий диаметром 0,05 мм в пластине из феррита.
Рис. 2б. Сверление отверстий лазерным излучением: фигурное отверстие в пластине из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.
Лазерное излучение
Ла'зерное излуче'ние (действие на вещество). Высокая мощность Л. и. в сочетании с высокой направленностью позволяет получать с помощью фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения l = 1,06 мкм и в газовых CO2 — лазерах с l = 10,6 мкм (см. табл.).
Лазер Длительность импульса,
сек Энергия импульса,
дж Мощность,
вт Максимальная плотность потока излучения,
вт/см2 CO2 Nd + стекло CO2 Nd + стекло Nd + стекло Непрерывный 10-3 6 × 10-8 10-9 (0,3) 10-11 — 104 3 × 102 3 × 102 10—20 103 107 5 × 1019 3 × 1011 1012—1013 до 107 до 107—1011 1013 1016 1015—1016
Особенности Л. и. привели к открытию целого ряда новых физических явлений, круг которых быстро расширяется по мере увеличения мощности лазеров.
Развитое испарение металлов. При воздействии на металлы Л. и. (например, импульсов неодимового лазера, длительностью несколько мсек) с плотностью потока излучения 106—108 вт/см2 металл в зоне облучения разрушается и на поверхности мишени возникает характерный кратер. Вблизи мишени наблюдается яркое свечение плазменного факела, представляющего собой движущийся пар, нагретый и ионизированный Л. и. Реактивное давление пара, выбрасываемого с поверхности металла, сообщает мишени импульс отдачи (рис. 1).
Испарение происходит с поверхности тонкого слоя жидкого металла, нагретого до температуры в несколько тыс. градусов. Температура слоя определяется равенством поглощённой энергии и потерь на охлаждение, связанное с испарением. Роль теплопроводности в охлаждении слоя при этом несущественна. В отличие от обычного испарения, такой процесс называется развитым испарением.
Давление в слое определяется силой отдачи пара и в случае сформировавшегося газодинамического течения пара от мишени составляет 1/2 давления насыщенного пара при температуре поверхности. Т. о., жидкий слой является перегретым, его состояние метастабильным. Это позволяет исследовать условия предельного перегрева металлов, при достижении которых происходит бурное объёмное вскипание жидкости. При нагреве до температуры, близкой к критической, в жидком слое металла может происходить скачкообразное уменьшение электропроводности и он приобретает свойства диэлектрика. При этом наблюдается скачкообразное уменьшение коэффициента отражения света.
Облучение твёрдых мишеней. При облучении практически всех твёрдых мишеней миллисекундными импульсами Л. и. с плотностью потока излучения ~ 107—109 вт/см2 в потоке пара от испаряющеися мишени, как и в предыдущем случае, образуется плазма. Температура плазмы 104—105 К. Таким методом возможно получение значительного количества химически чистой плотной низкотемпературной плазмы для заполнения магнитных ловушек и для разного рода технологических целей. Испарение твёрдых мишеней под действием Л. и. широко используется в технике (см. Лазерная технология).
При фокусировке на твёрдую мишень наносекундных лазерных импульсов с плотностью потока излучения 1012—1014 вт/см2 поглощающий слой вещества разогревается так сильно, что сразу превращается в плазму. В этом случае уже нельзя говорить об испарении мишени, границе раздела фаз и т.п. Энергия Л. и. расходуется на нагревание плазмы и продвижение фронта разрушения и ионизации в глубь мишени. Температура плазмы оказывается столь высокой, что в ней образуются многозарядные ионы, в частности Са16+ и др. (рис. 2). Образование ионов такой высокой кратности ионизации до недавнего времени наблюдалось только в излучении солнечной короны. Образование ионов с почти ободранной электронной оболочкой интересно также с точки зрения возможности осуществления в ускорителях многозарядных ионов ядерных реакций на тяжёлых ядрах.
Лазерная искра (оптический пробой газа). При фокусировке в воздухе при атмосферном давлении лазерного луча с плотностью потока излучения ~ 1011 вт/см2 в фокусе линзы наблюдается яркая световая вспышка (рис. 3) и сильный звук. Это явление называется лазерной искрой. Длительность вспышки в 10 и более раз превосходит длительность лазерного импульса (30 нсек). Образование лазерной искры можно представить себе состоящим из 2 стадий: 1) образование в фокусе линзы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное поглощение Л. и.; 2) распространение плазмы вдоль луча в области фокуса. Механизм образования затравочной плазмы аналогичен высокочастотному пробою газов. Отсюда термин — оптический пробой газа. Для пикосекундных импульсов Л. и. (I~ 1013—1014 вт/см2) образование затравочной плазмы обусловлено также многофотонной ионизацией (см. Многофотонные процессы). Нагревание затравочной плазмы Л. и. и её распространение вдоль луча (навстречу лучу) обусловлено несколькими процессами, одним из которых является распространение от затравочной плазмы сильной ударной волны. Ударная волна за своим фронтом нагревает и ионизирует газ, что, в свою очередь, приводит к поглощению Л. и., т. е. к поддержанию самой ударной волны и плазмы вдоль луча (световая детонация). В др. направлениях ударная волна быстро затухает.
Т. к. время жизни плазмы, образованной Л. и., значительно превышает длительность лазерного импульса, то на больших расстояниях от фокуса лазерную искру можно рассматривать как точечный взрыв (почти мгновенное выделение энергии в точке). Это объясняет, в частности, высокую интенсивность звука. Лазерная искра исследована для ряда газов при различных давлениях, разных условиях фокусировки, разных длинах волн Л. и. при длительностях импульсов от 10-6 до 10-11 сек.
Лазерную искру можно наблюдать и при значительно меньших интенсивностях, если затравочная поглощающая плазма в фокусе линзы создаётся заранее. Например, в воздухе при атмосферном давлении лазерная искра развивается из электроразрядной затравочной плазмы, при интенсивности Л. и. ~ 107 вт/см2, Л. и. «подхватывает» электроразрядную плазму и за время лазерного импульса свечение распространяется вдоль каустической поверхности линзы. При относительно малой интенсивности Л. и. распространение плазмы обусловлено теплопроводностью, в результате чего скорость распространения плазмы — дозвуковая. Этот процесс аналогичен медленному горению, отсюда термин «лазерная искра в режиме медленного горения».
Стационарное поддержание лазерной искры было осуществлено в различных газах с помощью непрерывного СО2-лазера мощностью в несколько сотен вт. Затравочная плазма создавалась импульсным СО2-лазером.
Термоядерный синтез. С помощью Л. и. возможно осуществление реакции термоядерного синтеза. Для этого необходимо образование чрезвычайно плотной и горячей плазмы с температурой, в случае синтеза ядер дейтерия, ~ 108 К. Для того чтобы энерговыделение в результате реакции превышало энергию, вложенную в плазму при её нагреве, необходимо выполнение условия:
nt ³ 1014 см-3сек,
где n — плотность плазмы, t — время её существования. Для коротких лазерных импульсов это условие выполняется при очень высоких плотностях плазмы. При этом давление в плазме столь велико, что её магнитное удержание практически невозможно. Возникающая вблизи фокуса плазма разлетается со скоростью ~ 108 см/сек. Поэтому t — время, за которое сгусток плотной плазмы ещё не успевает существенно изменить свой объём (время инерционного удержания плазмы). Для осуществления термоядерного синтеза длительность лазерного импульса tл, очевидно, не должна превышать t. Минимальная энергия лазерного импульса E при плотности плазмы n = 5×1022 см-3 (плотность жидкого водорода), времени удержания t = 2×10-9 сек и линейных размерах плазменного сгустка 0,4 см должна составлять: E = 6×105 дж. Однако эффективное поглощение света плазмой в условиях её инерционного удержания и выполнение условия nt ~ 10-14 имеет место лишь для определённых длин волн l:
