Модулированной добротности

Динамические фотоупругие исследования композитов сравнительно немногочисленны. Хантер [37] описал предварительное динамическое фотоупругое исследование распространения волны в модели композита. Двумерная модель, состоящая из чередующихся полос материалов «волокна» и «матрицы», подвергалась взрывной нагрузке на одном конце; при фотографировании динамических картин полос в качестве источника света применялся лазер с модулированной добротностью. Исследование носило качественный характер, а модель была нереалистической, поскольку отношение динамических модулей материалов волокна и матрицы составляло всего 1,61. Автор [16, 17] провел фотоупругое исследование динамики распространения трещин в более реалистической модели волокнистого композита. Цель этой работы заключалась в изучении распространения в матрице однонаправленного волокнистого композита трещины, возникающей при разрушении одного внутреннего волокна. Внезапно высвобождающаяся энергия обычно вызывает распространение трещины по направлению к соседним волокнам. Постановка эксперимента и результаты этого иследования вкратце описываются ниже.

Изменения в материале при воздействии излучения лазера с модулированной добротностью. Оптические квантовые генераторы, работающие в режиме модулированной добротности, позволяют получать излучения большой пиковой мощности, что дает возможность создавать на поверхности фокусировки плотность мощности 108—

сталла, как и в ячейке Керра, получается эллиптически-поляризо-ванный луч. Разность фаз двух лучей прямо пропорциональна приложенному напряжению. При определенном напряжении она достигает значения 180°, и тогда можно получить поворот плоскости поляризации на 90°. Следовательно, ячейка Поккельса может быть использована в схеме лазера с модулированной добротностью. Для ячейки Поккельса чаще всего используются кристаллы: дигидрофосфат калия (КДР) и дигидрофосфат аммония (АДР).

Выходная мощность лазеров с модулированной добротностью может быть настолько велика, что многими калориметрами нельзя пользоваться: они разрушаются под действием лазерного излучения. В этом случае удобен жидкостный калориметр. Рабочая жидкость калориметра должна полностью поглощать лазерное излучение. Этому условию удовлетворяют растворы одноатомных ионов металлов.

Верхний рабочий предел такого измерителя ограничен примерно 10 Дж, так как при большей энергии разрушается изоляция проволоки. Не рекомендуется пользоваться им для измерения выходной энергии лазеров с модулированной добротностью.

При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 икс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение из зоны воздействия по модели, аналогичной процессу лазерной резки с неподвижным тепловым источником [см. формулу (103)].

Первая схема — устранение неуравновешенной массы лазером с модулированной добротностью. Длительность каждого импульса излучения составляет 10~4 мсек, съем массы характеризуется постоянной величиной 0,2 мг. Из графика (рис. 5) видно, что для достижения уравновешенного состояния ротора необходимо произвести значительное количество импульсов,

Ограниченные размеры кристалла, естественно, определяют энергетические возможности рубиновых лазеров. Предельную энергию генерации в режиме с модулированной добротностью можно сравнительно просто оценить, полагая, что все активные ионы возбуждены к началу импульса излучения. Тогда энергия в импульсе ?„ ;? VN0ho) ~ 10-1018-3-10~19 ~ 3 Дж. Реальные значения энергии излучения в режиме модулированной добротности составляют — 1Дж при длительности импульса 30 не. Рекордные значения энергии гигантского импульса достигают десятков Дж. В режиме свободной генерации полная энергия излучения за время накачки активного элемента -~1 мс может быть несколько выше, так как в силу пичкового характера генерации активные ионы могут испытывать многократное возбуждение и тушение в каждом импульсе накачки. Так как время между двумя соседними пичками составляет ~10 икс, то даже при возбуждении всех ионов в каждом пичке полная энергия излучения лазера за время свободной генерации будет меньше 300 Дж. В реальных условиях эта величина, как правило, не превышает 1...102 Дж, т.е. средняя.мощность излучения в режиме свободной генерации составляет ~ 1... 10 кВт по сравнению с ~ 10 МВт в режиме модулированной добротности.

Существенное различие наблюдаемых энергий излучения от проведенных предельных оценок объясняется, рядом факторов. Генерация в трехуровневой системе начинается и оканчивается, когда на верхнем лазерном уровне находится более половины (~0,7) всех активных ионов. Таким образом, коэффициент использования возбужденных ионов в режиме с модулированной добротностью не превышает, как правило, 0,2...0,3. Квантовый КПД рубиновых лазеров довольно высок. Он составляет Т1кв~0,7 ПРИ комнатной температуре и приближается к единице по мере охлаждения рубина. Учитывая реальный КПД резонатора rip^0,5, нетрудно понять тот факт, что реальная энергия излучения в режиме с модулированной добротностью на порядок ниже предельной [(0,2...0,3)т1кв11р ~0,1...0,15]. Предельная энер гия излучения в режиме свободной генерации ограни

Эффективность преобразования электрической энергии в энергию излучения лазера на стекле зависит от режима генерации и составляет 1 % при квантовом КПД иона неодима ~0,5. Распределение энергии по каналам потерь в лазере на стекле с неодимом близко к рубиновому лазеру (т1Р.к~0,5; Лз->и~0,5; т)отР~0,7; Ticn~0,13; Т1з+2~0,7). Некоторое повышение КПД по сравнению с рубиновым лазером обусловлено тем, что сосредоточенная в возбужденных уровнях энергия на пороге генерации в лазере на стекле с неодимом существенно меньше. Эта разница становится особенно ощутимой при работе в режиме с модулированной добротностью, где КПД неодимового лазера может отличаться более чем на порядок.

В основе четвертой группы методов получения ударных волн лежит облучение поверхности преграды лазерным светом или потоком электронов. В зоне поглощения энергии излучения возникают высокие давления, амплитуда которых прямо пропорциональна концентрации поглощенной энергии и зависит от длительности импульса излучения t0, уменьшаясь с ее увеличением [3]. На расстояниях, превышающих толщину слоя, в котор'ом поглощается энергия излучения, распространяющиеся волны существенно нестационарны. При облучении лазером с модулированной добротностью свободной поверхности мишени зарегистрированные амплитуды одномерных волн напряжения, как правило, не превышают 1 ГПа [4].

При работе лазера в режиме модулированной добротности возникающий в процессе воздействия лазерного излучения импульс отдачи приводит к образованию ударной волны в материале, в результате чего происходит шоковое лазерное упрочнение [41, 59, 68].

в этой зоне. С этой целью были изучены структурные изменения, происходящие в углеродистых и легированных сталях, а также в цветных металлах и сплавах под воздействием излучения ОКГ в режиме свободной генерации и в режиме модулированной добротности.

Изменения в материале при воздействии излучения лазера с модулированной добротностью. Оптические квантовые генераторы, работающие в режиме модулированной добротности, позволяют получать излучения большой пиковой мощности, что дает возможность создавать на поверхности фокусировки плотность мощности 108—

Эксперименты проводились на установке с лазером на стекле с неодимом, работающем в режиме модулированной добротности [593. В лазерный блок входили пять усилителей и генератор, с помощью которых можно получать импульсы, близкие к треугольной форме, с энергией до 500 Дж и длительностью от 25 до 30 не. При фокусировании излучения линзой с фокусным расстоянием 100 см диаметр фокального пятна составлял 3 см. Для изучения микроструктурных изменений и эффекта ослабления волны давления в материале использовались образцы толщиной 0,3 см и меньше.

Для некоторых технологических операций представляет интерес режим модулированной добротности (режим гигантских импульсов). В этом случае с помощью специальных устройств (модуляторов) обеспечивается выделение генерируемой энергии лазерного излучения в очень короткий промежуток времени, в результате чего резко возрастает импульсная мощность излучения.

Рис. 14. Временные зависимости инверсной населенности AN и интенсивности излучения / в режимах свободной генерации (1), модулированной добротности (2) и при отсутствии генерации (3). AyV* — пороговое значение инверсной населенности

чительно большей инверсии, причем будет излучен весьма мощный короткий импульс. На рис. 14 приведены изменения инверсии с течением времени в режиме свободной генерации и в режиме модулированной добротности резонатора; предполагается, что импульс накачки имеет прямоугольную форму и ширину (штриховая линия на рисунке).

Конструкция лазера отличается от твердотельных ОКГ тем, что в резонатор вместо стеклянного стержня помещается кювета с раствором. Инверсия, как и в твердотельном ОКГ, осуществляется при помощи оптической накачки от импульсных ламп. Жидкостные лазеры такого типа могут работать как в режиме свободной генерации, так и в режимах модулированной добротности и синхронизации мод.

Для увеличения мощности и сокращения длительности генерации твердотельных лазеров широко используется метод модулированной добротности. В этом случае в резонатор лазера помещают просветляющийся затвор. Накачка активного элемента протекает в течение времени, сравнимого со временем релаксации возбуждения верхнего лазерного уровня (10~4...10~3 с). В конце периода возбуждения затвор просветляется и осуществляется моноимпульсный режим генерации. При этом большая часть энергии возбуждения высвечивается в течение времени порядка времени вынужденного излучения.

Ограниченные размеры кристалла, естественно, определяют энергетические возможности рубиновых лазеров. Предельную энергию генерации в режиме с модулированной добротностью можно сравнительно просто оценить, полагая, что все активные ионы возбуждены к началу импульса излучения. Тогда энергия в импульсе ?„ ;? VN0ho) ~ 10-1018-3-10~19 ~ 3 Дж. Реальные значения энергии излучения в режиме модулированной добротности составляют — 1Дж при длительности импульса 30 не. Рекордные значения энергии гигантского импульса достигают десятков Дж. В режиме свободной генерации полная энергия излучения за время накачки активного элемента -~1 мс может быть несколько выше, так как в силу пичкового характера генерации активные ионы могут испытывать многократное возбуждение и тушение в каждом импульсе накачки. Так как время между двумя соседними пичками составляет ~10 икс, то даже при возбуждении всех ионов в каждом пичке полная энергия излучения лазера за время свободной генерации будет меньше 300 Дж. В реальных условиях эта величина, как правило, не превышает 1...102 Дж, т.е. средняя.мощность излучения в режиме свободной генерации составляет ~ 1... 10 кВт по сравнению с ~ 10 МВт в режиме модулированной добротности.

имеет ряд преимуществ по сравнению С диэлектрическими кристаллами, Стекла можно получать в большем объеме при сравнительно низкой стоимости и изготовлять изделия практически любой формы и размеров. Имеется возможность изменять в значительных пределах физико-химические и спектрально-люминесцентные характеристики стекла с целью их оптимизации. К недостаткам относятся низкая теплопроводность, худшие механические свойства — меньшие твердость, модуль упругости, прочность. У стекол существенно меньше сечение индуцированного излучения. Этот фактор оказывается полезным при работе активных элементов в режиме усиления и модулированной добротности, особенно в мощных системах, так как он позволяет получить большую энергию излучения с одною элемента.