На предыдущих лекциях мы с вами рассмотрели задачи нагрева материала лазерным излучением, когда плотности мощности на поверхности относительно умеренные. Т. е. когда происходит нагрев, плавление, испарение материала. Но если мы увеличиваем плотности мощности (лазеры позволяют нам это сделать достаточно легко), то возникает совершенно новое явление на поверхности. Происходит не просто испарение поверхности, а мгновенная ионизация. Т. е. в этом случае над поверхностью появляется факел, лазерно-плазменный факел. А воздействие под поверхностью сводится к тому, что внутрь материала распространяется ударная волна. Давайте немного обсудим свойства возникающей лазерной плазмы. Ну вот на слайде мы можем видеть, что лазерная плазма условна. Можно весь факел разделить на три части. Вблизи поверхности, примерно на расстоянии, которое определяется радиусом фокусировки лазерного излучения, возникает так называемое плотное ядро плазмы. Оно состоит из ионизированных частиц, т. е. из электронов и ионов. Эта область как раз является самой высоко нагретой областью лазерной плазмы, в которой собственно и происходит начальное взаимодействие лазерного излучения с поверхностью, сводится именно к появлению этого ядра. Дальше происходит разлет от поверхности, поскольку возникает давление на поверхности. Происходит разлет электронов и ионов. Поскольку электроны — частицы легкие, то естественно, что они улетают быстрее и с большими скоростями. И на ионы действуют уже две силы: с одной стороны, это давление на поверхности, которая действует и на электрон, а с другой стороны, возникает разность потенциалов, т. е. электрическое поле, которое дополняет действие на ионы дополнительной электрической силы. И соответственно ускоряются ионы с помощью или вследствие влияния двух факторов. Ну и следующую область мы можем выделить. Это область, когда электроны и ионы ускорились и уже разлетаются от поверхности примерно с одинаковыми, постоянными скоростями. Все эти области характерны для любого воздействия, когда возникает плазма. Она возникает, когда плотность мощности на поверхности превышает порог плазмообразования. Ну и ясно, что каждая область характеризуется своими свойствами, параметрами. Самая важная часть — это высокоэнергитичная, высокоплотная плазма вблизи поверхности. Она настолько сильно влияет на излучение, что приводит к так называемому эффекту экранировки поверхности от лазерного излучения. Т. е. возникшая плазма является мощным поглотителем лазерного излучения, которое ее породила и, соответственно, в результате на поверхность уже, так сказать, достигает малая часть излучения, поскольку оно поглощается в плазме. Этот эффект экранировки приводит к тому, что если мы будем исследовать в зависимости от плотности мощности или от плотности энергии разные параметры на поверхности. Ну какие? Ну во-первых, возникает импульс отдачи, значит величину импульса отдачи. Возникает соответственно давление, зависимость давления на поверхности. То мы убедимся, что эти зависимости имеет не монотонный характер. Почему? Вследствие эффекта экранировки. Т. е. возникает так называемый процесс автоколебания. На начальном этапе плазма достигает поверхности, лазерное излучение, извините, достигает поверхности, рождает плазму. Вот здесь на слайде показаны две картинки: в случае, если мы исследуем в вакууме и исследуем при неком давлении газов в камере высокого давления. Форма лазерно-плазменного факела совершенно различны. В случае, если работаем в вакууме, то факел вытянут по направлению к излучению лазерному. А в случае, если мы работаем в камере высокого давления, то противодействие вот этой атмосферы приводит к тому, что плазма как бы прижимается к поверхности. Кстати, это является таким мощным инструментом для развития целой отрасли, которая называется лазерно-плазменная технология. Т. е. плазма, которая создана в камерах высокого давления, она содержит соответственно ионы, не только ионы материала, который перешел в состояние плазмы, но и ионы окружающей атмосферы, и воздействует на поверхность материала. Что это позволяет делать? Это позволяет делать совершенно замечательные такие процессы, реализовать. Какие? Модификация поверхности, создание новых материалов на поверхности. Например, если мы будем облучать в камере высокого давления, в которой находится метан, к примеру, то ионы углерода в метане, которые появились в плазме, будут взаимодействовать с поверхностью, и образуется новое совершенно соединение — карбид металла, которое обладает чрезвычайно интересными свойствами (очень высокой микротвердостью, коррозионной стойкостью и т. д.) Т. е. мы можем на простом металлическом образце, например, на железе, стали и прочем, получить совершенно новые свойства, новые материалы, которые будут защищать эту поверхность и придавать совершенно новые свойства поверхности. Если мы воздействуем в атмосфере азота, то ионы азота также воздействуют и взаимодействуют с поверхностью, и образуется нитрит металла, такого золотистого цвета, который обладает тоже чрезвычайно интересными свойствами по микротвердости, коррозионной стойкости и т. д. Т. е. плазма, сама по себе являясь очень интересным субстантом для исследования, является чрезвычайно удобным механизмом для создания технологических процессов, лазерно-плазменных технологических процессов. Мы можем воздействовать в атмосфере водорода и восстанавливать окислы. Можем воздействовать в атмосфере кислорода и создавать окислы на поверхности и т. д., целый комплекс разных воздействий. Что еще важно отметить? Ну вот если мы посмотрим на слайд дальше, то оказывается, что сама лазерная плазма обладает чрезвычайно интересным свойством — она является источником рентгеновского излучения. Ну потому что возбуждаются, соответственно, глубокие уровни, и когда переходит электрон на эти глубокие уровни, он излучает рентгеновские кванты. Значит, соответственно, мы можем уже использовать лазерную плазму в качестве лабораторного источника рентгеновского излучения. Не рентгеновские трубки, а просто облучать лазерным излучением поверхность и получать рентгеновское излучение. Это позволяет создавать лабораторные установки вплоть до так называемого рентгеновского микроскопа лабораторного. Это тоже такая большая перспектива развития. Ну и если еще пойти вглубь с точки зрения увеличения плотности мощности, а мы можем сейчас с лазерами достигать чрезвычайно высоких плотностей мощности, то где-то в районе 10 в 20 Вт на см^2 оказывается, что лазерная плазма обладает чрезвычайно интересным свойством — создается очень большое ускорение разлетающихся частиц (электронов). И мы фактически можем получить источник релятивистских электронов, т. е. лабораторный ускоритель только при использовании лазерной плазмы. Это чрезвычайно большие перспективы для развития таких компактных приборов, которые в лабораторных условиях, могут получить эффекты, достичь эффектов, которые достигаются на больших ускорителях, на синхротронах и т. д. Поэтому лазерная плазма — это замечательный инструмент для воздействия на вещество и для получения с помощью этого воздействия чрезвычайно интересных эффектов для исследования для науки и для практики.
