4. Метод лазерной абляции

Лазерная обработка загрязненных поверхностей открывает новые возможности и перспективы, зачастую позволяющие расширить пределы ограничений, которые присущи старым технологиям. Лазеры интенсивно используются при различных операциях на поверхностях: нанесении покрытий, термообработки, а также очистке поверхностей [54-58].

В настоящей работе также рассмотрены проблемы лазерной очистки поверхностей и проблемы использования УФ лазерной очистки, а также продемонстрированы возможности метода.

Н

линза

мишень

а рисунке 32 представлена схема метода лазерной абляции, используемой в данной работе.

KrF лазер

ИМО

Рисунок 32 – Схема эксперимента для лазерной очистки поверхности

Излучение фокусировалось линзой (f = 150 мм) на мишень в пятно размером от 2x6 мм² до 4x7 мм², максимальная плотность энергии в зоне облучения Ф = 20,1 мДж/мм². Мишень (26x37 мм²) находилась на вращающемся держателе, позволявшем менять облучаемую зону, а также перемещать мишень в продольном направлении. В ходе эксперимента мощность измерялась при помощи измерителя мощности и энергии.

В качестве исследуемого образца использовался материал алюминия марки – АМГ. Сплав марки АМГ представляет собой деформируемый алюминиевый сплав. Его можно охарактеризовать как коррозионностойкий свариваемый сплав на основе системы Al – Mg. Такие сплавы называют Магналии. На рисунке 33 приведена сделанная с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) фотография поверхности алюминия АМГ, до полировки лазерным излучением.

Рисунке 33 – Поверхность сплава до лазерной полировки

Поверхность материала была обработана лазерным пучком при трех различных плотностях мощности. На рисунке 34 показана фотография поверхности исследуемого образца, полученная на АСМ при следующих параметрах: зарядное напряжение = 19кВ, энергия в импульсе = 105 мДж, плотность энергии = 10,5 мДж/мм².

Рисунок 34 – Поверхность мишени после лазерной абляции

На рисунке 35 представлена полученная АСМ – фотография поверхности мишени при увеличении зарядного напряжения до 20 кВ, энергия в импульсе увеличилась до 130 мДж. При этом плотность энергии соответствовала 15,4 мДж/мм².

Рисунок 35 – Поверхность мишени после лазерной абляции

Максимальная плотность энергии была достигнута при зарядном напряжении 22 кВ и равнялась 20,1 мДж/мм². При этом энергия в импульсе также была максимальной – 150 мДж. АСМ – фотография поверхности алюминия АМГ после лазерной абляции приведена на рисунок 36.

Рисунок 36 – Поверхность мишени после лазерной абляции

Как видно из АСМ – фотографий, представленных выше, при зарядном напряжении равном 19 кВ, происходит незначительное удаление загрязняющего слоя. Поверхность образца подвергается плавлению. Можно отметить очень слабое тепловое воздействие УФ лазерной абляции даже при высокой плотности энергии и большом числе импульсов. При повышении абляционных параметров (E/S = 15,4 мДж/мм²), наблюдения на АСМ выявили модификацию очищаемой поверхности. На рисунке 29 в местах воздействия лазерного излучения на материал появляются небольшие кратеры. Тот факт, что очистка поверхности сплава АМГ излучением эксимерного лазера приводит к заплавлению микротрещин – является неблагоприятным в случае очистки от радиоактивных загрязнений, так как последние в свою очередь концентрируются в трещинах и, следовательно, будут не удалены.

Видимые повреждения поверхности исследуемого образца наблюдались при плотности энергии равной 20,1 мДж/мм². В данном случае происходило оплавление оригинальной поверхности мишени. По мере увеличения плотности энергии, изображенные кратеры становятся глубже, что свидетельствует о неоднородности пучка.

В экспериментах по методу лазерной абляции также испытывались образцы, предварительно подвергнутые химической полировке. В качестве материала исследуемых образцов использовался сплав марки – АМГ. Фотография поверхности образца после химической полировки была получена на АСМ и представлена на рисунке 37.

Рисунке 37 – Поверхность материала подвергнутого химической очистке

Из рисунка 37 видно, что после химической очистки, на поверхности образца появляются кратеры.

На рисунке 38 приведено изображение поверхности материала после лазерного облучения образца, подвергнутого химической полировке, с длиной волны 248 нм и плотности энергии равной 20,1 мДж/мм².

Рисунок 38 – Поверхность материала после лазерной абляции.

При достижении плотности энергии пучка на поверхности выше 20,1 мДж/мм² наблюдается существенное изменение шероховатости поверхности образца.

Заключение

В настоящей работе рассмотрен ряд вопросов, посвященных формированию однородного объемного разряда в электроразрядном лазере, работающем в импульсно-периодическом режиме с частотой до 100 Гц.

Основные результаты и выводы работы можно сформулировать следующим образом:

1. Создана компактная и эффективная KrF лазерная система, состоящая из задающего генератора и усилителя. Лазерная система работает с частотой повторения импульсов до 100 Гц. На выходе лазерной системы получен пучок с энергией в импульсе до 0,4 Дж, длительностью импульса 16 нс, шириной спектральной линии 2 пм и содержащий в дифракционном угле 60% энергии. Созданная KrF лазерная система используется в лидарном комплексе для обнаружения в атмосфере паров веществ, содержащих окcид азота.

2. В электроразрядном импульсно-периодическом эксимерном лазере сформирован однородный объемный разряд, который горит в течение всей длительности накачки, что позволяет эффективно преобразовывать энергию накопленную в активной среде в лазерное излучение. Показано что, при удельной мощности накачки 3,1 МВт/см³ генерация XeCl лазера продолжается на трех полупериодах колебаний разрядного тока в течение 150 нс.

3. В электроразрядном импульсно-периодическом KrF лазере с автоматической УФ-предыонизацией реализован полный КПД лазера 2,42 %. Максимальная энергия генерации лазерного излучения составила 0,4 Дж. В электроразрядном импульсно-периодическом XeCl лазере с автоматической УФ-предыонизацией реализован полный КПД лазера 2,27 %, при удельном энергосъеме 0,16 Дж/см³. Максимальная энергия генерации лазерного излучения для данного лазера равна 0,7 Дж.

4. Произведены расчеты характеристик вентилятора и свойств газового тракта лазера, а так же магнитной муфты. Показано, что при начальной температуре охлаждающей жидкости 15С, вкладываемой мощности в разряд 2.3 кВт, температура газовой смеси будет составлять ~ 30С, что достаточно для нормальной и устойчивой работы лазера при частоте срабатывания 100 Гц.

5. Показано, что при переходе от однородного объемного разряда к частично неоднородному разряду, состоящего из перекрывающихся диффузных каналов, привязанных к плазменным пятнам на катоде, эффективность работы эксимерного лазера увеличивается с 1.1 до 2.4 %.

6. Обнаружено, что при зажигании однородного объемного разряда без плазменных пятен на катоде, вкладываемая удельная мощность ограничена величиной 1.5 МВт/см³. При дальнейшем повышении удельной мощности накачки в плазме формируются токовые микронеоднородности, приводящие к прекращению генерации.

7. Показано, что при достижении плотности энергии пучка на поверхности выше 20.1 мДж/мм² наблюдается существенное изменение шероховатости поверхности образца. Эффекты плавления на поверхности образца начинают проявляться с пороговой плотности энергии пучка -10,5 мДж/мм².

Список использованных источников

1. Mitsuhiro Kusaba, Yoshiaki Tsunawaki. Raman spectroscopy of SWNTs produced by a XeCl excimer laser ablation at high temperatures.// Applied Surface Science. –2007.№253. –6330-6333

2. Klaus Fritz. 308 nm excimer laser phototherapy of psoriasis: Monotherapy versus combination with Calcipotriol therapy.// Medical Laser Application. – 2008. - №23.– 87-92

3. С.К. Вартапетов, Д.В. Худяков, К.Э. Лапшин, А.З. Обидин, И.А. Щербаков. Фемтосекундные лазеры для микрохирургии роговицы. // Квантовая Электроника, 2012, Т. 42, № 3, C. 262-268.

4. C. Gomez. Comparative study between IR and UV laser radiation applied to the removal of graffitis on urban buildings.// Applied Surface Science - 2006. - №252. – 2782-2793

5. V. Lazic. Analysis of explosive and other organic residues by laser induced breakdown spectroscopy.// Spectrochimica Acta Part B.–2009.№64.–1028-1039

6. Басов Н. Г., Данилычев В. А., Попов Ю. М., Ходкевич Д. Д. Письма в ЖТФ.- 1970, -T. 12, в. 10, -С. 473-474

7. Ч. Роудз. Эксимерные лазеры.// М. Мир.-1981 .-С. 5

9. Velazco J., Setser D.W. Bound-free emission spectra of diatomic xenon halides // J. Chem. Phys.- 1975.- Vol. 62, pp. 1990-1991

10. Тельминов Е.Н. Физика лазерных систем: эксимерный лазер на хлориде ксенона – лазер на красителе: дисс. на соискание уч. степ. канд. физ.- мат. наук/СФТИ.- Томск: 1998.- 184 с.

11. Королев Ю.Д. Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов.- М.: Наука, 1991.- 224 с.

12. Агеев В.П., Атежев В.В., Букреев В.С. и др. Импульсно-периодический эксимерный лазер с магнитным звеном сжатия // ЖТФ.- 1986.-Т.56., в.7.- С.1387-1389

13. Жупиков А.А., Ражев А.М. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0.5 Дж на основе буферного газа Не // Квантовая электроника – 1997.-Т.24.,№8. -C.683-687

14. А.М.Ражев, А.И.Щедрин, А.Г.Калюжная, А.В.Рябцев, А.А.Жупиков. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного электроразрядного KrF-лазера на смеси He-Kr-F₂. // Квантовая электроника – 2004.-Т.34.,№10. -C.901-906.

15. А.М.Ражев, А.А.Жупиков, Е.С.Каргапольцев. Эксимерный KrCl-лазер (λ = 223 нм) на смеси Не-Кr-НСl. // Квантовая электроника – 2004.-Т.34.,№2. -C.95-98.

16. Кропанев А.Ю., Орлов А.Н., Осипов В.В. Характеристики импульсно-периодического XeCl- лазера с системой регенерации газовой смеси // Квантовая электроника – 1996.-Т.23.,№3. -C.340-342.

17. Неймет Ю.Ю., Шуаибов А.К., Шевера В.С. и др. Малогабаритный электроразрядный лазер на хлоридах ксенона и криптона // ЖПС.-1990.-Т.53, №2.-С.337-339.

18. Shigeyuki Takagi, Saburo Sato, Tatsumi Goto Electron density measurements in UF-preionized XeCl and CO₂ laser gas mixtures // Japan. J. of Appl. Phys.- 1989.-Vol.28, No.11., PP.2219-2222.

19. Борисов В.М., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. и др., Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника – 1995.-Т.22., № 6.- С.533-536.

20. Агеев В.П., Атежев В.В., Букреев В.С. и др. Импульсно-периодический эксимерный лазер с магнитным звеном сжатия // ЖТФ.- 1986.-Т.56., в.7.- С.1387-1389

21. Жупиков А.А., Ражев А.М. Эксимерный KrF-лазер на основе буферного газа Не с энергией 0.8 Дж и КПД 2% // Квантовая электроника. – 1998.-Т.25.,№8. -C. 687-689.

22. А.В.Андраманов, С.А.Кабаев, Б.В.Лажинцев, В.А.Нор-Аревян, А.В.Писецкая. Многосекционный KrF-лазер с частотой повторения 4 кГц и индуктивно-емкостной стабилизацией разряда. // Квантовая электроника – 2006.-Т.36., № 2.- С.101-105.

23. И.Н.Коновалов, В.Ф.Лосев, Ю.Н.Панченко, Н.Г.Иванов, М.Ю.Сухов. Электроразрядный XeCl-лазер с энергией генерации 10 Дж и длительностью импульса излучения 300 нс. // Квантовая электроника – 2006.-Т.36., № 2.- С.237-240.

24. Levater J.I. and Lin Shao-Chi. Necessary condition for the homogeneous formation of pulsed avalanche discharge at high gas pressure // J. Appl. Phys.- 1980.-Vol.51, No.1., PP.210-222.

25. Boticher W. The Time-Dependent Development of the Macroscopic Instability of a XeCl* Laser Discharge // Trans. on plasma science.- 1991.-Vol.19, No.2., -P369-377

26. Hasama T., Miyazaki K., Yamada K. and Sato T. 50-J discharge pumped XeCl laser //IEEE J. Quant. Elect.- 1989.-Vol.25, No.1, -P.113-120

27. Аттежев В.В., Вартапетов С.К., Жуков А.Н., Курзанов М.А., Обидин А.З. Эксимерный лазер с высокой когерентностью // Квантовая электроника. – 2003.-Т.33., № 8.- С.689-692

28. Борисов В.М., Борисов А.В., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. Эффекты ограничения мощности в компактных импульсно-переодических KrF-лазерах // Квантовая электроника – 1995.-Т.22. № 5.- С.446-450

29. А.А. Белевцев, С.Ю. Казанцев, А.В. Сайфулин, К.Н. Фирсов. Еще раз о роли УФ подсветки в нецепных электроразрядных HF(DF)-лазерах. // Квантовая электроника – 2004.-Т.34. № 2.- С.111-114 

30. Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах /Борисов В.М., Демин А.И., Ельцов А.В., Новиков В.П., Христофоров О.Б. // Квантовая электроника – 1999.-Т.26., № 3.- С.204-208

31. В.М. Борисов, А.И. Демин, А.В. Ельцов, В.П. Новиков, О.Б. Христофоров. Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах. //Квантовая электроника. – 1999. – Т.26, №3, С.204–208.

32. Fisher C.H., Kushner M.J., Terrence E.D. High efficiency XeCl laser with spiker and magnetic isolation // Appl. Phys. Lett.-1986.-Vol.48. -P1574-1576

33. Борисов B.M., Виноходов А.Ю., Водчиц B.A., Ельцов А.В., Иванов А.С. Разработка мощных KrF лазеров с частотой повторения импульсов до 5 кГц // Квантовая электроника. – 2000. - Т.30. - № 9. - С.783-786.

34. А.В. Андраманов, С.А. Кабаев, Б.В. Лажинцев, В.А. Нор-Аревян, В.Д. Селемир. Компактный XeF-лазер с частотой следования импульсов 4 кГц и многосекционным разрядным промежутком // Квантовая электроника. – 2005. - Т.35. - № 4. - С.311-314.

35. Андраманов А.В., Кабаев С.А., Лажинцев Б.В., Нор-Аревян В.А., Селемир В.Д. Патент России № 2244990 от 10.04.03; БИ. – 2005. – №2, С. 610.

36. Азотный лазер с частотой повторения импульсов 11 кГц и расходимостью излучения 0.5 мрад / Аттежев В.В., Вартапетов С.К., Жигалкин А.К., Лапшин К.Э., Обидин А.З. // Квантовая электроника .– 2004.-Т.34., № 9.- С.790-794

37. Бычков А.Г., Коровкин А.Г. О диаметральных вентиляторах-промышленная аэродинамика. Выпуск 24, 1962. с.110-124

38. Коровкин А.Г. исследование аэродинамических схем корпусов диаметральных вентиляторов без внутреннего направляющего аппарата: Промышленная аэродинамика, Москва: Машиностроение; выпуск 33, 1986 71-80 с.

39. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечных труб.-Л.: Машиностроение, 1982г.-189 с.

40. В.В. Дударев, Н.Г. Иванов, И.Н. Коновалов, В.Ф. Лосев, А.В. Павлинский, Ю.Н. Панченко. Эффективные импульсно-периодические XeCl-лазеры. // Квантовая электроника.– 2011. – Т.41, № 8. – С. 687–691.

41. Ralf Dreiskemper, Woldemar Botticher. Current filamentation of strongly preionized high pressure glow discharges in Ne/Xe/HCl mixtures // Transaction on plasma science.-1995.- Vol.23, No.6., pp 989-995

42. Shu J., Bar I., Rosenwaks S. The use of rovibrationally excited NO photofragments as trace nitrocompounds indicators // Applied Physics. – 2000. – Vol. 70, №4, pp621–625.

43. Talya Arusi-Parpar, Dov Heflinger, Raphael Lavi. Photodissociation Followed by Laser-Induced Fluorescence at Atmospheric Pressure and 24 °C: A Unique Scheme for Remote Detection of Explosives. // Applied Optics. – 2001. – Vol. 40, № 36, P. 6677–6681.

44. Wynn CM, Palmacci S, Kunz RR, Rothschild M. Noncontact detection of homemade explosive constituents via photodissociation followed by laser-induced fluorescence. // Optics Express. – 2010. – Vol. 18, №6, pp. 5399-5406.

45. Z Harrache, A Alia, A Belasri. XeCl*-laser discharge instabilities at high gas pressures. // Quantum electronics. – 2012. – Vol.42, №4, P. 304–309.

46. Осипов В.В. Самостоятельный объемный разряд. // УФН. – 2000. – №170. С.225–245

47. Генкин С.А., Королев Ю.Д., Хузеев А.П. Катодные пятна в импульсных объемных

48. Osborne M.R., Hutchinson M.H.R. Low-divergence operation of a long-pulse excimer laser using a SBS phase-conjugate cavity // J. Appl. Phys. – 1986. – Vol. 59, P. 711–715.

49. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. – М.: Энергоатомиздат. – 1988. – 185 c.

50. Dreiskemper R., Botticher W. Light emission during cathode sheath formation in preionized high-pressure glow discharges // IEEE Trans. Plasma Sci. – 1995. – Vol. 23, P. 987–994.

51. Панченко Ю.Н., Иванов Н.Г., Лосев В.Ф. Особенности формирования активной среды в короткоимпульсном электроразрядном XeCl-лазере // Квантовая электроника – 2005. – Т. 35, № 9, С. 816–821.

52. Лосев В.Ф., Панченко Ю.Н. Влияние неоднородностей активной среды на расходимость излучения длинноимпульсного электроразрядного XeCl-лазера // Квантовая электроника. – 2001. – Т. 31, С. 293–298.

53. Ястремский А.Г. автореферат диссертации д.ф.-м.н. Кинетика преобразования и передачи энергии и пространственная структура разрядов в смесях газов c HCl и SF6. – 2008.

54. Сухов И.А., Симакин А.В., Шафеев Г.А., Вье Г., Гарсия С.. Генерация наночастиц при лазерной абляции железной мишени в жидкости. //Квантовая электроника. – 2012. – Т.42, №5, С.453–456.

55. Завестовская И.Н.. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов.// Квантовая электроника. – 2010. – Т.40, №11, С.942–954.

56. Булгаков А.В., Евтушенко А.Б., Шухов Ю.Г., Озеров И., Марин В. Импульсная лазерная абляция бинарных полупроводников: механизмы испарения и генерация кластеров. //Квантовая электроника. – 2010. – Т.40, №11, С.1021–1033.

57. Гуськов С.Ю., Касперчик А., Писарчик Т.. Эффективность абляционного нагружения вещества при переносе поглощенной лазерной энергии быстрыми электронами. // Квантовая электроника. – 2006. – Т.36, №5, С.429–434.

58. Казакевич П.В., Симакин А.В., Шафеев Г.А. Образование периодических структур при лазерной абляции металлических мишеней в жидкости. //Квантовая электроника. – 2005. – Т.35, №9, С.831–834.

41