Тепловые, гидродинамические и плазменные эффекты при взаимодействии лазерного излучения с веществом

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ 
"РФЯЦ – ВНИИЭФ" 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕПЛОВЫЕ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И 
ПЛАЗМЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ 
 
 
 
 
Монография 
 
Под общей редакцией  
профессора Н. С. Захарова 
профессора В. Д. Урлина, 
профессора Н. И. Шенцева, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров, 2004 

УДК 621.378 
ББК 32.86 
У 69 
 
 
 
Тепловые, гидродинамические и плазменные эффекты при взаимодействии лазерного излучения с веществом: Монография / Под общей 
ред. проф. Н. С. Захарова, проф. В. Д. Урлина, проф. Н. И. Шенцева. – Саров: ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ", 2004. – 425 с. – ил. 
ISBN 5-9515-0037-0. 
 
 
 
Монография представляет собой обзор основных направлений  
теоретических и экспериментальных исследований по воздействию 
лазерного излучения на вещество. Главное внимание уделяется 
описанию физико-математических моделей и методов численного 
моделирования физических процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с материалами различного состава в 
области умеренных потоков излучения, при которых возникают тепловые, гидродинамические и плазменные эффекты, представляющие интерес для лазерной технологии и научных исследований. 
Для подтверждения достоверности расчётных моделей широко 
привлекаются результаты экспериментов. 
Монография предназначена для широкого круга специалистов, 
аспирантов и студентов старших курсов, занимающихся физикой 
высоких плотностей энергии, физикой взаимодействия мощных направленных потоков электромагнитной энергии с веществом, технологией обработки различных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 5-9515-0037-0                                              © ФГУП "РФЯЦ – ВНИИЭФ", 2004 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Исследования физики взаимодействия лазерного излучения с веществом были начаты практически сразу же после создания первых лазеров в 
60-х годах 20-го столетия. К настоящему времени в этой области знаний 
накоплен значительный объем экспериментальных и теоретических результатов, имеющих важное фундаментальное и прикладное значение.  
Эти результаты послужили научно-методической основой широкого использования лазеров как в исследовательских целях, так и в промышленных технологиях, медицине, измерительной технике. Однако проведение 
дальнейших исследований в рамках данной проблемы требует применения все более сложных и дорогостоящих технических решений, что зачастую является серьезным сдерживающим фактором. Для правильного понимания новых перспективных направлений развития и применения лазерной техники необходим прежде всего тщательный анализ и обобщение 
обширного экспериментального и теоретического материала, накопленного за прошедшие годы.  
 
В настоящей монографии приведены материалы исследований, выполненных в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском 
НИИ экспериментальной физики и Центральном физико-техническом 
институте. Сформулированы задачи, возникающие при изучении лазерного воздействия на различные материалы, в том числе многокомпонентные, 
при разных условиях и режимах облучения. Большое внимание уделено 
описанию физико-математических моделей и методов численного моделирования разнообразных физических процессов: тепловых, газо- и плазмодинамических, механических, ударно-волновых, электромагнитных. 
Для подтверждения достоверности расчетных моделей используются результаты экспериментов. Многие материалы исследований ранее не были 
опубликованы и могут представлять значительный интерес для специалистов в области лазерных технологий. Например, данные по воздействию 
лазерного излучения в условиях сверхзвукового обтекания, лазерному 
горению и инициированию химически активных сред, облучению материалов ультракороткими импульсами. Необходимость и своевременность 
монографии обусловлена еще и тем, что в настоящее время новое поколение исследователей, проявляя заметный интерес к проблеме лазерного 
взаимодействия с веществом, нередко повторяет уже сделанное предшественниками.  

Предисловие 
 

 

4 

 
Авторы монографии, известные ученые профессора Н. С. Захаров, 
В. Д. Урлин, Н. И. Шенцев и их сотрудники, являются авторами многочисленных оригинальных работ по исследованию взаимодействия лазерного излучения с веществом. 

Монография состоит из восьми глав, охватывающих широкий круг 
вопросов по данной тематике.  
 
В первой главе представлено описание общей физической картины 
процессов взаимодействия лазерного излучения с конденсированными 
средами, приводятся терминологические определения, используемые в 
последующих главах.  
 
Вторая глава посвящена методикам численного моделирования испарительных и газодинамических процессов, развивающихся под действием лазерного излучения широкого диапазона интенсивностей на непрозрачные материалы.  
 
Особенности нагрева и терморазрушения неоднородных полимерных 
материалов под действием непрерывного и квазинепрерывного лазерного 
излучения изучаются в третьей главе.  
 
В четвертой главе исследуются эффекты теплового и газодинамического воздействия паров и плазменного факела на сверхзвуковой воздушный поток, обтекающий облучаемую мишень.  
 
Пятая глава посвящена процессам генерации токов и электромагнитных полей в лазерной плазме, изучению их пространственновременной структуры.  
 
В шестой главе излагаются физико-математические модели взаимодействия нано- и фемтосекундных лазерных импульсов с непрозрачными 
конденсированными средами. 
 
Особенности взаимодействия лазерного излучения с оптическими 
материалами рассматриваются в седьмой главе.  
В восьмой главе представлены результаты расчетно-теоретического 
исследования лазерного зажигания и горения химически активных конденсированных сред. 
Основное содержание монографии составляют результаты исследований, выполненных российскими учеными. Вне поля зрения авторов остался ряд зарубежных публикаций. Библиография для удобства восприятия помещена в конце каждой главы. 
Работа по написанию монографии выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект № 1299-00).  

Обозначения физических величин 
 

34
27
15
2
1,05 10
Дж с
1,05 10
эрг с
0,658 10
эВ с
h
−
−
−
=
π =
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
⋅
– 
постоянная Планка; 

16
23
1,38 10
эрг К
1,38 10
Дж К
k
−
−
=
⋅
=
⋅
 – постоянная Больцмана; 

23
6 10
1 моль
A
N
=
⋅
 – число Авогадро; 

8
3 10
с = ⋅
 м/с – скорость света; 
27
0,911 10
e
m
−
=
⋅
 г – масса электрона; 
λ – длина волны света, 1 эВ ⇒ 1,24 мкм; 
ν = λ/с = ω/2π – частота света; 

3 2
21
3
3 2
2
2
6 10
в см
эВ
2

e
V
m k
B
−
−
⎛
⎞
=
=
⋅
⋅
⎜
⎟
π
⎝
⎠
; 

3 2
2
2
Q
V
MkT

⎛
⎞
π
= ⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

– квантовый объем частицы с массой М; 

24
3
10
см
Q
V
−
−
=
 – квантовый объем атома водорода при Т = 300 К; 

А – атомный вес в г/моль; 
N – концентрация в 1/см3; 
W – энергия падающего излучения в Дж/cм2; 

q
N wc
Nh c
=
=
ν
– интенсивность излучения в 
2
Вт см ; 
τ – длительность облучения; 

P – давление в Па, 1 Па = 10 
2
5
дин см
10−
=
 бар; 

Е – энергия в Дж/г, 1 эВ ⇒ 
19
1,6 10−
⋅
 Дж; 

ρ – плотность в 
3
г см ; 
T – температура, 1 эВ ⇒ 11605 К; 
t – время; 
r – коэффициент отражения. 
 
Основные сокращения 
 
ЛИ – лазерное излучение; 
УВ – ударная волна; 
ВВ – взрывчатое вещество. 

ГЛАВА 1 
 
ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИ  
С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ 
 
Н. С. Захаров, В. Д. Урлин, Н. И. Шенцев 
 
1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ 
 
Физическая картина взаимодействия мощных потоков лазерного излучения с веществом на сегодняшний день изучена достаточно хорошо. 
Основными параметрами, определяющими процессы взаимодействия, 
являются интенсивность ЛИ q и длительность облучения τ. В зависимости 
от значения этих величин общая картина воздействия может быть представлена следующим образом. При падении излучения на преграду часть 
его энергии отражается, оставшаяся часть поглощается в поверхностном 

слое, толщина которого 
1
~
−
α
, где α – коэффициент поглощения. Возникающая вследствие этого разница в температуре вызывает поток энергии 
в глубь преграды. С ростом q (или τ) облучаемая поверхность нагревается, 
что приводит к плавлению и испарению (металлы), термодеструкции и 
абляции (полимеры) материала преграды. Появляется облако эрозионных 
паров, которое со временем полностью экранирует разрушающуюся поверхность, в результате чего почти вся энергия излучения превращается 
во внутреннюю и кинетическую энергию образовавшихся паров. При дальнейшем росте q энергия поглощается непосредственно за фронтом движущейся по окружающей среде ударной волны, превращая ее в светодетонационный комплекс. На рис. 1.1 в качестве примера представлены границы 
режимов взаимодействия ЛИ (λ = 1 мкм) с преградой из диэлектрика.  
 
Границы тепловых режимов воздействия (нагрев, плавление, испаре
ние) хорошо описываются законами типа 
2
const
i
i
q
c
τ =
=
, т. е. произведе
ние 
2
q τ  должно превышать некоторое зависящее от свойств материала 
значение. Частицы материала проходят все стадии физико-химических 
превращений. При малых потоках ЛИ происходит наиболее полное протекание химических реакций и исключается эрозионно-механический 
унос. С ростом q зона физико-химических превращений сужается и смещается к поверхности. Это смещение для разных материалов происходит 

Физическая картина взаимодействия ЛИ с конденсированными средами 
 
7 

с различной скоростью и имеет место до начала абляции. После достижения абляции тепловой баланс меняется, и зона физико-химических превращений перемещается внутрь преграды. Решающими для разрушения 
материала становятся процессы агрегатных переходов и механическая 
эрозия. Ecли при малых значениях q почти вся энергия ЛИ расходуется 
на нагрев материала и масса m выброшенного из мишени материала мала, 
а поглощенная энергия W соответственно велика, то с ростом q унос массы увеличивается и эффективная энергия разрушения 
эф
E
W m
=
 дости
гает минимума. Наступает так называемый режим развитого испарения.  
 

 
Рис. 1.1. Режимы воздействия лазерного излучения на преграду  
из диэлектрика: 1, 2, 3 – тепловые режимы; 4, 5, 6 – режимы  
с экранировкой излучения 
 
 
Испарение материала приводит к прожиганию преграды. Одновременно на нее действует реактивный импульс отдачи со стороны разлетающегося пара. Удельный импульс отдачи определяется в основном 
свойствами материала и составляет 50–100 H/МВт (0,05–0,1 с/км). При 
этом давление на поверхности преграды в пятне облучения не превышает 
1
w
P =  МПа. 

Глава 1 
 
8 

 
Время существования испарительного режима ограничено образованием плазмы паров и развитием экранировки мишени от падающего ЛИ. 
Воздействие излучения на преграду в этом случае полностью определяется процессами нагрева и движением плазмы, характеризуется передачей 
мишени значительных механических нагрузок и генерацией электромагнитных полей. Унос вещества мишени мал. Удельный механический импульс 
в режимах с экранировкой также мал и практически не зависит от материала 

преграды. Для 
8
2
10 Вт/см
q ≥
 он составляет не более 10 H/МВт, но давление на мишени может достигать 10 МПа и более. 
 
Таким образом, последовательное рассмотрение процессов взаимодействия в координатах q, τ позволит выделить следующие режимы: 
1) режим теплопроводности (нагрев без абляции); 
2) режим испарения материала; 
3) режим с образованием эрозионной плазмы. 
В первых двух режимах основная доля ЛИ расходуется либо на нагрев, 
либо на абляцию материала преграды. В плазменном режиме основная доля 
ЛИ до поверхности преграды не доходит, а поглощается в эрозионной плазме 
с последующим перемещением фронта поглощения механизмами дозвуковой, радиационной или светодетонационной волны. 
В соответствии с представленной картиной можно выделить два основных механизма взаимодействия ЛИ с преградой: тепловой (доплазменный) и механический (плазменный). Границы существования этих 
режимов для диэлектрической преграды показаны на рис. 1.1. В случае 
облучения преграды из других материалов картина взаимодействия качественно не изменится, сдвинутся лишь границы существования режимов.  
 
Особенностью силового (механического) действия является то, что 
параметры взаимодействия ЛИ с преградой в этом случае практически 
не зависят от вида материала, так как все процессы происходят в полностью ионизованных эрозионных парах.  
Воздействие ЛИ на прозрачные материалы имеет ряд специфических 
особенностей. Физическая картина взаимодействия в этом случае определяется не только интенсивностью, но и коэффициентом поглощения, который, 
в свою очередь, зависит от длины волны ЛИ. Например, для излучения инфракрасного диапазона спектра коэффициент поглощения стекол достаточно высок (χ ≥ 400 см–1), и лазерная энергия поглощается в тонком поверхностном слое (~ 25 мкм). В этом случае выделение энергии приводит к нагреву материала, фазовым и химическим превращениям, которые сопровождаются термоупругим напряжением. Если же коэффициент поглощения 
χ ~ 1 см–1, то энергия поглощается практически во всем объеме материала.  

Физическая картина взаимодействия ЛИ с конденсированными средами 
 
9 

 
Характерными эффектами взаимодействия при поверхностном поглощении излучения являются оплавление, образование кратера или  
поверхностное растрескивание материала. При объемном поглощении ЛИ 
до определенного уровня интенсивности никаких видимых повреждений 
в материале не наблюдается. Начиная с определенной величины 
пр
q
 в 

материале происходит оптический пробой, сопровождающийся отколами, 
внутренними трещинами или расколом оптического элемента. Величина  

пр
q
 определяется свойствами материала и зависит от длины волны ЛИ. 

Например, для излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона 

(0,4 ≤ λ ≤ 2 мкм) 
2
пр
10 МВт/см
q
≥
. 

 
Физические процессы взаимодействия ЛИ с веществом показаны 
на рис. 1.2. Там же приведены методы исследования механизмов и параметров взаимодействия. 
 
Выше рассматривались механизмы взаимодействия ЛИ, приводящие 
к видимым повреждениям материала. Однако существует область параметров ЛИ, где воздействие не приводит к видимым повреждениям. Это 
область малых и супермалых энергетических воздействий. Часто в литературе ее называют зоной информационного воздействия. Основным  
результатом здесь является нарушение каких-либо свойств материала 
без видимых структурных изменений.  
 
При супермалых уровнях энергии излучения для получения эффекта 
необходимо выполнение дополнительного условия – частота ЛИ должна 
быть близкой к резонансной частоте системы. Особенно это важно для 
биоструктур на уровне клетки. Этот режим воздействия получил название 
"резонансного". Исследования в этой области потоков энергии только 
начинаются, но уже первые результаты свидетельствуют об их чрезвычайной практической важности. Они могут быть использованы для медицинских целей при диагностике и лечении различных болезней. Однако 
медико-биологические эффекты взаимодействия ЛИ с веществом в данной монографии не рассматриваются. 
 
В настоящей главе основное внимание уделяется физическим механизмам взаимодействия луча мощного лазера с веществом, действующим 
в каждом частном случае. Качественное описание многих процессов и 
терминология приведены в ряде монографий (см., например, [1, 2]).