Динамика твердых макрочастиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера

3

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА

ДИНАМИКА ТВЕРДЫХ МАКРОЧАСТИЦ, УСКОРЕННЫХ В ПОЛЕ СУБМИЛЛИСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА YAG:ER ЛАЗЕРА

A.B. Беликов

Измерена скорость сапфировых частиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера. Описана оригинальная система измерения скорости. Показано, что для ускорения частиц сапфира, помещенных в воду (суспензия), требуется энергия практически в два раза меньшая, чем для ускорения частиц сапфира, содержащих только воду, абсорбированную поверхностью (порошок). Установлено, что скорость частиц распределена неравномерно в течение времени действия лазерного импульса.

Идея о возможности светового давления восходит к Кеплеру, который в 1619 году постулировал, что световое давление является той силой, которая определяет положение хвоста кометы всегда в сторону от солнца. Корпускулярная теория света, предложенная Ньютоном, сделала идею светового давления более правдоподобной и стимулировала многочисленные попытки его экспериментального измерения. В XVIII и XIX веках все попытки обнаружить световое давление или силу, которая не могла бы быть приписана конвекции в воздухе, окончились неудачей. В 1873 году Уильям Крукс полагал, что открыл световое давление в частично эвакуированной камере, хотя в действительности он изобрел радиометр. Существование светового давления, свободного от возмущающих тепловых эффектов, было, наконец, экспериментально доказано в начале нашего века Лебедевым в России и Николсом и Хэллом в США [1].

Световое давление вновь привлекло внимание в свете новых достижений лазерной техники. Еще в 1962 году в статье [2] было показано, что мощный световой луч способен оказывать сильное действие на заряженные и поляризующиеся частицы, причем сила может менять знак при переходе через резонансную частоту поляризуемости. Были отмечены возможности применения такого воздействия для сдерживания перепада концентрации частиц, транспортировки частиц, создания разрежений или сгущений в средах. В то же время в работе [3] было показано, что с поглощением света в облучаемой частице могут быть связаны три типа сил: нагрев и движение самой среды -конвекционное увлечение, нагрев среды от поглощающей поверхности частицы - радиометрическое давление, и давление от испарения самой частицы - светореактивное давление. Все эти эффекты могут во много раз превосходить световое давление и проявляться с большой вероятностью в экспериментах. При этом светореактивное давление может достигать 1012 атмосфер. Такое давление можно использовать, в частности, для ускорения макрочастиц [4] до скоростей 106-108 см/с для получения искусственных микрометеоров - частиц, дающих большие локальные энерговыделения при столкновениях с мишенью или друг с другом. Подобные частицы могут быть использованы для обработки композитных материалов (в том числе биологического происхождения) в тех случаях, когда возможности традиционных или лазерных технологий уже исчерпаны. Так, возможно использование потока Al2O3 частиц, ускоренных лазерным излучением, для увеличения скорости обработки эмали зуба человека [5]. В этом случае вода, окружающая частицы (суспензия) или абсорбированная поверхностью частиц (порошок), очень эффективно поглощая излучение на длине волны 2.94 мкм, испаряется, стимулируя тем самым светореактивное движение частицы. В настоящей работе мы впервые экспериментально исследовали влияние плотности лазерной энергии на скорость твердых сапфировых частиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера, определили энергии, достаточные для ускорения сапфировых частиц различно-

го диаметра, и оценили распределение скорости частиц по времени, прошедшему с момента лазерного воздействия.

В исследовании использовался макет лазера на кристалле YAG:Er (06.3x100 мм), работающий в режиме свободной генерации на длине волны 2.94 мкм. Длительность лазерного импульса по полувысоте составляла величину порядка 250 мкс. Излучение, проходя через CaF2 линзу, фокусировалось в пятно диаметром 600+50 мкм, что позволяло достигать плотность энергии 250 Дж/см2. В качестве твердых частиц использовался сверхчистый Al2Oз порошок фирмы Swam-Blast. Паспортная плотность материала частиц составляла величину 3.97x10 кг/м . Диаметр частиц соответствовал 12, 27, 40 и 160 мкм.

Мы исследовали порошок и водную суспензию частиц. Водная суспензия готовилась в следующей пропорции: в 300 мг частиц добавлялось 0.2 мл воды. В эксперименте частицы в виде порошка или суспензии помещались в стеклянную кювету, дно которой было изготовлено из сапфира. Толщина слоя твердых частиц была 200+50 мкм. Лазерное излучение фокусировалось в плоскость контакта между твердыми частицами и дном кюветы. Ускоренные лазерным излучением твердые частицы покидали область взаимодействия и фотографировались высокочувствительной видеокамерой MINTRON с управляемым затвором, сопряженной с ЭВМ и блоком синхронизации. Оптическая ось объектива видеокамеры была перпендикулярна направлению распространения лазерного луча и проходила через область взаимодействия лазерного излучения с частицами. Блок синхронизации вырабатывал стартовый синхроимпульс, инициирующий лазерную генерацию и кадровый синхроимпульс. Мы могли изменять временной сдвиг между началом кадрового синхроимпульса (t0) и началом лазерного импульса (). Время экспозиции, т.е. время, в течение которого затвор камеры остается открытым, могло быть изменено от 100 мкс до 2 мсив настоящем эксперименте составляло величину 500 мкс. В эксперименте также можно было изменять временной сдвиг между

началом кадрового синхроимпульса (t0) и моментом открытия затвора видеокамеры (tS ). Таким образом, в течение 500 мкс можно было сфотографировать события, происходящие спустя промежуток времени AtS. В эксперименте, сокращая AtS, мы добивались отсутствия изображения скопления разлетающихся частиц на экране монитора, при этом незначительное увеличение tS приводило к появлению изображения. Этот момент времени t1 мы принимали за начало процесса движения частиц. Оценив разность между tL и t1, мы определяли задержку между началом лазерного импульса и началом движения частиц. Далее, увеличивая tS, мы могли регистрировать скопление разлетающихся частиц в течение времени М, определяемого разностью между tS и tl.

ЭВМ использовалась для управления блоком синхронизации, сбора, хранения и обработки получаемых в эксперименте фотографий.

На полученных фотографиях измерялась длина наиболее интенсивных треков, оставляемых разогретыми в поле лазерного импульса твердыми частицами, летящими в направлении близком к нормали к поверхности слоя частиц, что позволяло минимизировать неточность в определении длины трека, вызванную разлетом частиц под углами. Зная М и длину трека, можно, поделив длину на время, легко определить среднюю скорость движения частиц за этот промежуток времени.

В эксперименте мы определили пороговое значение плотности лазерной энергии, при котором начинается движение частиц различного диаметра. Оказалось, что для ускорения частиц диаметром 12 мкм из суспензии достаточно 0.3 Дж/см2, а для ускорения частиц диаметром 12 мкм из порошка необходимо уже 0.7 Дж/см2. Для ускорения частиц диаметром 27 мкм из порошка необходимо 1.5 Дж/см2, для ускорения частиц диа-

метром 40 мкм - 2.2Дж/см2, а для частиц диаметром 160 мкм - 6.0 Дж/см2. Другими словами, для ускорения частиц сапфира, помещенных в воду (суспензия), требуется энергии практически в два раза меньше, чем для ускорения частиц сапфира, содержащих только воду, абсорбированную поверхностью (порошок).

150-,-;-;-;-;-;-;-

140

60-|-.-\-.-1-.-1-.-j-.-j-.-j-.-

0 20 40 60 80 100 120 140

Время, мкс

Рис. 1. Зависимость средней скорости движения частиц от времени, прошедшего после начала лазерного импульса (порошок из частиц Л120з диаметром 12 мкм, УЛО:Бг

лазер, плотность энергии 135 Дж/см2).

300

50

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Плотность энергии, Дж/см2

Рис.2. Зависимость средней скорости движения частиц от плотности энергии лазерного импульса (порошок из частиц Л1203 диаметром 12 мкм, УЛО:Бг лазер, скорость регистрировалась спустя 40 мкс после начала действия лазерного импульса).

Мы экспериментально установили, что скорость частиц распределена неравномерно в течение времени действия лазерного импульса (рис. 1) и увеличивается с ростом плотности энергии лазерного излучения (рис. 2). Так, для частиц А1203 диаметром 12 мкм скорость в течение времени действия лазерного импульса сначала резко растет,

на сороковой микросекунде достигает максимума и далее постепенно уменьшается к концу лазерного импульса, кроме того, частицы продолжают двигаться после окончания лазерного импульса. Необходимо отметить, что подобная закономерность наблюдалась и для частиц других диаметров. В поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера непоглощающая частица из Al2O3, окруженная водой, абсорбированной поверхностью (порошок), может быть ускорена до скорости 275 м/с, что при диаметре частицы 12 мкм соответствует кинетической энергии порядка 0.27 мкДж, достаточной для разрушения такого твердого материала, как эмаль зуба [5].

Литература

1. Nichols E.F., Hull G. F.// Phys. Rev., 1903.V. 17. P. 26

2. Arthur Ashkin, The pressure of Laser light.// Scientific American. 1972. V. 226(2). P. 63. Аскарьян Г.А., Мороз, E.M. Давление при испарении вещества в луче радиации // Письма в редакцию ЖЭТФ.1962 №12. С.2319

3. Аскарьян Г.А., Рабинович М.С, Савченко М.М., Степанов В.К., Студенов В.Б. Све-тореактивное ускорение макрочастиц вещества. // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т.5. С 258.

4. Altshuler G.B., Belikov A.V., Sinelnik Y.A. A Laser-Abrasive method for the cutting of enamel and dentin. // Lasers in Surgery and Med. 2001. V. 28. P. 435-444.