3.3. The effect of the target temperature on the surface topography
There were substantial differences in the topography of the laser irradiated areas between targets at the two investigated temperatures. In order to obtain a rough estimation of the temperature profile and surface temperature, a simplified one-dimensional model was used, taking into account the temperature depending thermal properties of copper with normal melting and boiling and neglecting any inequilibrium effects, such as phase explosion. It was considered that the energy relaxation time for metals is in the order of 10−13 s, thus the laser energy can be regarded as being instantaneously turned into heat for ns-pulsed ablation [12]. The model was described in our previous work [17]. At the highest fluence, the calculated surface temperature was slightly above 15,000 K, which is highly above the copper evaporation temperature (2835 K). The temperature is also considerably higher than the thermodynamic critical temperature for copper (8000 K), which indicates that the actual evaporation mechanism should be the phase explosion [19]. This transition forms a plume, and its backpressure can attain few GPa, resulting in the expulsion of the liquid beneath it, and formation of a crater. This result qualitatively agrees with the observed surface topography. It also lies in line with the measured electron temperature of plasma, which was 1.2 eV (around 14,000 K).
The ejection of the melt predominantly in a very narrow range of directions may arise from the inhomogeneous irradiation profile, which was previously described; the predominant direction was close to the direction of the highest-pressure gradient. In other, less intensely irradiated regions around the central part, the phase explosion did not occur. There the thickness of the molten layer was estimated to 1–2 μm.
It is to be stated that after each pulse, the plasma plume disappeared and the molten material resolidified. If the total irradiated energy in one pulse were absorbed in the plate, its temperature would only increase by 0.3 K, thus, it can be supposed that the plate temperature remained constant. Nevertheless, each pulse changed the surface topography, which affected the absorption conditions at the beginning of the next pulse.
The heating of the plate resulted in a slight increase in the calculated surface temperature. Thus, the differences in the interaction between the cold and warm target with the laser beam cannot explain large differences in the surface topography.
The observed surface topography of the cold target indicates that the solidification time was too short to allow surface tension to make the surface smoother. A simple calculation shows that the temperature gradient normal to the surface decreased about 30% when the target was at 360 °C. Thus, the solidification time could increase by the same factor. This allowed the surface tension to make a crater shallower, and prevented the formation and growth of the crater rim. The ejected droplets can join the molten surface region, and incorporated into it. Also, the increased solidification time can contribute or perhaps enable the formation of the surface waves.
The observed periodicity of ≈3 μm are much larger than those reported in the literature for the short and strong pulses of polarised laser light, which should be an order of magnitude smaller [14] and [15]. The periodicities corresponded to the periodicities typically encountered in cases of hydrodynamic instabilities caused by the laser irradiation [10] and [11].
Since the plate was placed vertically, the gravitational capillary waves cannot evolve, since the buoyancy occurs in the gravitational gradient, but in the horizontal direction, there was no gravitational gradient. Thus, the instabilities can be regarded as thermocapillary waves, which are caused by the Marangoni effect. The copper surface tension decreases with the increasing temperature [20]. So the melt will flow from the hotter areas to the colder ones, and this can produce surface waves. The wavelike surface formed by the previous pulses can increase the absorption of light in valleys, increasing their temperature and enhancing the amplitude of ripples. A similar behaviour was explained as the Rayleigh–Bénard convection using a single Gaussian pulse of a Q-switched Nd-YAG laser with Ti target at 10 ns. Similar patterns were also obtained on Ta surface [21,p. 137]. More exactly, the target structures appear as final states of chaos in Rayleigh–Bénard convection [22], and the driving force can be the Marangoni effect.
3.3 . ผลของอุณหภูมิเป้าหมายบนพื้นผิวภูมิประเทศมีความแตกต่างอย่างมากในภูมิประเทศของพื้นที่ระหว่างการฉายรังสีเลเซอร์เป้าหมายที่สองตรวจสอบอุณหภูมิ ในการขอรับการประเมินคร่าวๆ ของอุณหภูมิ อุณหภูมิพื้นผิว แบบมิติเดียวแบบที่ถูกใช้ โดยคำนึงถึงอุณหภูมิขึ้นอยู่กับสมบัติทางความร้อนของการเดือดและละลายทองแดงปกติและละเลยใด ๆ inequilibrium ผลด้วย เช่น ระยะระเบิด ก็ถือว่า ถึงเวลาผ่อนคลายพลังงานโลหะอยู่ในลำดับ 10 − 13 ด้วย ดังนั้นพลังงานเลเซอร์ที่สามารถถือเป็นการจึงกลายเป็นความร้อนสำหรับ NS การพัลซิ่ง [ 12 ] แบบจำลองที่อธิบายไว้ในการทำงานก่อน [ 17 ] ที่ fluence สูงสุด ค่าอุณหภูมิพื้นผิวเล็กน้อยข้างต้น 15 , 000 K ซึ่งอยู่สูงเหนือทองแดงระเหยอุณหภูมิ ( 2835 K ) อุณหภูมิยังสูงมากกว่า Thermodynamic อุณหภูมิวิกฤตสำหรับทองแดง ( 8000 K ) ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากลไกการระเหยจริงควรมีระยะระเบิด [ 19 ] การเปลี่ยนแปลงนี้ในรูปแบบอื่น และ backpressure สามารถบรรลุไม่กี่คะแนน ทำให้การขับของเหลวภายใต้มัน และการก่อตัวของปล่องภูเขาไฟ ผลเชิงคุณภาพ เห็นด้วยกับสังเกตพื้นผิวภูมิประเทศ . มันก็อยู่ในแนวเดียวกันกับที่วัดอุณหภูมิอิเล็กตรอนของพลาสมาซึ่งเป็น 1.2 eV ( ประมาณ 14 , 000 K )ออกของละลายส่วนใหญ่ในช่วงที่แคบมากของเส้นทางอาจเกิดขึ้นจาก inhomogeneous โปรไฟล์ของการฉายรังสี ซึ่งได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ทิศทางโดด ใกล้ชิด กับทิศทางของการไล่ระดับแรงดันสูงสุด ใน อื่น ๆ , น้อย ๆผ่านภูมิภาคทั่วภาคกลาง ระยะระเบิดไม่ได้เกิดขึ้น มีความหนาของชั้นหล่อประมาณ 1 – 2 μม.มันเป็นกล่าวว่าหลังจากที่แต่ละชีพจรพลาสมาขนนกหายไปและวัสดุหลอมเหลว resolidified . ถ้าทั้งหมดที่ฉายรังสีพลังงานในหนึ่งชีพจรถูกดูดซึมในจาน , อุณหภูมิของมันจะเพิ่ม 0.3 K , ดังนั้นจึงสามารถคาดคะเนว่าอุณหภูมิจานยังคงคงที่ อย่างไรก็ตาม แต่ละชีพจรเปลี่ยนพื้นผิวภูมิประเทศ ที่ส่งผลต่อสภาพการดูดซึมที่จุดเริ่มต้นของคลื่นถัดไปความร้อนของแผ่นมีผลในการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในค่าอุณหภูมิพื้นผิว . ดังนั้นความแตกต่างระหว่างเย็นและเป้าหมายอบอุ่นด้วยแสงเลเซอร์ไม่สามารถอธิบายความแตกต่างในพื้นผิวสภาพภูมิประเทศลักษณะภูมิประเทศของพื้นผิวของชิ้นงานเย็น พบว่า การทำให้เวลาสั้นเกินไปที่จะช่วยให้ความตึงผิวเพื่อให้ผิวเรียบเนียน การคำนวณง่าย ๆแสดงให้เห็นว่าการกระจายอุณหภูมิปกติที่พื้นผิวลดลงประมาณ 30% เมื่อเป้าหมายอยู่ที่ 360 องศา ดังนั้น การเวลาจะเพิ่มขึ้นโดยปัจจัยเดียวกัน นี้อนุญาตให้ความตึงผิวให้ตื้นขึ้น และป้องกันการเกิดหลุม , และการเจริญเติบโตของ Crater Rim . ที่ออกมาหยดสามารถเข้าร่วมพื้นที่ผิวหล่อ และรวมอยู่ในนั้น นอกจากนี้ เพิ่มการแข็งตัวเวลาสามารถมีส่วนร่วม หรืออาจจะใช้รูปแบบของคลื่นพื้นผิวลักษณะของโลหิต≈ 3 μ M มีขนาดใหญ่กว่าที่รายงานในวรรณคดีสำหรับพัลส์สั้นและแข็งแรงของขั้วไฟเลเซอร์ ซึ่งควรเป็นคำสั่งของขนาดเล็ก [ 14 ] และ [ 15 ] การ periodicities ตรงกับ periodicities มักจะพบในกรณีของอุทกพลศาสตร์เสถียรภาพที่เกิดจากการฉายรังสีเลเซอร์ [ 10 ] และ [ 11 ]เนื่องจากจานวางแนวตั้งคลื่นโน้มถ่วงซึ่งไม่สามารถคาย เนื่องจากการลอยตัวเกิดขึ้นในระดับแรงโน้มถ่วง แต่ในทิศทางแนวนอนไม่มีแรงโน้มถ่วงลาด . ดังนั้น เสถียรภาพสามารถถือเป็น thermocapillary คลื่นที่เกิดจากการ marangoni Effect ผิวทองแดง ความตึงเครียดจะลดลงด้วยการเพิ่มอุณหภูมิ [ 20 ] เพื่อละลายจะไหลจากพื้นที่ร้อนกับคนที่เย็นชา และนี้สามารถผลิตคลื่นพื้นผิว ซึ่งมีลักษณะหรือคุณสมบัติเหมือนคลื่นพื้นผิวที่เกิดจากกะพริบก่อนหน้านี้สามารถเพิ่มการดูดซึมของแสงในหุบเขา การเพิ่มอุณหภูมิของพวกเขาและเพิ่มแอมพลิจูดของคลื่นน่ะค่ะ พฤติกรรมที่คล้ายกัน คือ อธิบายเป็น เรย์ลี่– B éนาร์ดการพาความร้อนโดยใช้ชีพจรเสียนเดียวของ q-switched Nd YAG เลเซอร์เป้าหมาย Ti 10 นว . รูปแบบคล้ายยังได้รับทาพื้นผิว [ 21 , หน้า 137 ] เพิ่มเติมว่า เป้าหมาย โครงสร้าง ปรากฏเป็นรัฐสุดท้ายของความสับสนวุ่นวายใน Rayleigh ( B éนาร์ดการพาความร้อน [ 22 ] และแรงผลักดันสามารถ marangoni Effect
การแปล กรุณารอสักครู่..
