Моделирование и экспериментальное исследование разрушения сферической полистироловой микрочастицы в лазерном пучке

Цели работы:
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
1) Построение математической модели нагрева полистироловой микрочастицы с функцией источника в виде нагревающего конуса
2) Экспериментальная проверка микровзрывов полистироловых микрочастиц
3) Описание эффекта интерференции, происходящего на подложке, покрытой слоем алюминия
4) Экспериментальное наблюдение эффекта интерференции на подложке с высоким коэффициентом отражения
5) Экспериментальная проверка нагрева полистироловых микрочастиц с использованием пучка, преобразованного ДОЭ
2/16

Задачи:
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
1) Описание алгоритма, реализующего математическую модель нагрева полистироловой микрочастицы
2) Исследование возможности микровзрыва полистироловой микрочастицы по параметрам, полученным при помощи модели нагрева
3) Обоснование эффекта интерференции на подложке покрытой слоем алюминия
4) Реализация оптических схем для подтверждения эффекта интерференции, наблюдения взрыва полистироловых микрочастиц и использования пучка, преобразованного при помощи ДОЭ
3/16

Построение математической модели нагрева микрочастицы:
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
4/16
Уравнение теплопроводности:
Оператор Лапласа:
Дискретизируя данную модель в узле , получим:

Результаты моделирования
Рисунок 1 - 2 – Изменение температуры в зависимости от зенитного угла (слева) и от глубины проникновения лазерного излучения (справа)
5/16
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
Время моделирования – 10 нс.
Диаметр микрочастицы – 5 мкм.

Результаты моделирования
Рисунок 3 - 4 – Изменение температуры в зависимости от зенитного угла (слева) и от глубины проникновения лазерного излучения (справа)
6/16
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
Время моделирования – 15 нс.
Диаметр микрочастицы – 5 мкм.

Оптическая схема эксперимента
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
7/16
Рисунок 5 – Схема эксперимента для микровзрывов полистироловых микрочастиц
Обозначения:
UV – ультрафиолетовый лазер (длина волны 355 нм);
М1, М2, М3 – поворотные зеркала;
L1, L2 – фокусирующий и изображающий микрообъективы, соответственно
V – положка с микрочастицами
PC – компьютер
CCD – высокоскоростная камера

Экспериментальные результаты
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
8/16
Рисунок 6 – Перемещение полистироловых микрочастиц посредством взрыва центральной частицы при частоте кадров 1902 кадров/с

Микровзрывы полистироловых микрочастиц
9/16
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.

Суммарная интенсивность падающей и отражённой волн:
(4)
Учитывая, что кварцевое стекло обладает высоким коэффициентом пропускания, а алюминий – высоким коэффициентом отражения, можно положить, что:
(5)
При подстановке (4) в (3), получаем:
.
Интерференция на подложке, покрытой слоем алюминия
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
10/16

Экспериментальные результаты
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
11/16
Рисунок 7 – Расположение пятна фокусировки относительно полистироловой микрочастицы при разном расположении самой микрочастицы относительно фокальной плоскости

Оптическая схема эксперимента
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
12/16
Рисунок 8 – Схема эксперимента по наблюдению эффекта интерференции на подложке, покрытой слоем алюминия
Обозначения:
1 – ультрафиолетовый лазер (длина волны 355 нм);
2,3 – поворотные зеркала;
4 – кубик с полупрозрачными зеркалами;
5 – фокусирующий микрообъектив;
6 – подложка с микрочастицами, покрытая слоем алюминия;
7 – высокоскоростная камера.

Экспериментальные результаты
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
13/16
Рисунок 9 – Перемещение полистироловых микрочастиц при микровзрыве на подложке, покрытой слоем алюминия. Интервал времени между кадрами 10 мс

Попытка вращения микротурбины
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
14/16
Рисунок 10 – Результаты взрыва полистироловых микрочастиц вблизи микротурбины. Интервал времени между кадрами 0,03 секунды

Изменение формы пучка
Моделирование и экспериментальное исследование разрушения… Васильев В.С.
15/16
Рисунок 11 – Результат плавления полистироловых микрочастиц при использовании пучка Бесселя 8-го порядка