- •Часть II
- •Содержание
- •0. Лазерный нагрев материалов 7
- •1. Лазерное разрушение поглощающих материалов 92
- •0. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред 136
- •Глава 0. Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы 150
- •Введение
- •0. Лазерный нагрев материалов
- •0.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением
- •0.0.0. Тепловые эффекты в конденсированных средах
- •0.0.1. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии на металлы
- •0.0.2. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия
- •0.1. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
- •0.1.0. Термомеханические эффекты
- •0.1.1. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)
- •0.1.2. Эмиссионные процессы
- •0.1.3. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа. Лазерное окисление
- •0.1.4. Диффузионно-химические явления
- •0.1.5. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
- •0.2. Линейные режимы лазерного нагрева
- •0.2.0. Понятие температуры электронной и решеточной подсистем
- •0.2.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником
- •0.2.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности
- •0.2.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем
- •0.2.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения
- •0.2.5. Влияние временной зависимости интенсивности лазерного излучения
- •0.2.6. Лазерный нагрев тонких слоев и пленок
- •0.2.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле
- •0.2.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
- •0.3. Нелинейные режимы лазерного нагрева
- •0.3.0. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности
- •0.3.1. Изменение поглощательной способности окисляющихся материалов при лазерном нагревании. Тепловая неустойчивость
- •0.3.2. Интерференционные явления в окисном слое
- •0.4. Лазерное плавление поверхности
- •0.4.0. Вакансионная модель плавления
- •Контрольные вопросы к разделу 1
- •1. Лазерное разрушение поглощающих материалов
- •1.0. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения
- •1.0. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов
- •1.0.0. Разрушение упругими напряжениями
- •1.0.1. Разрушение остаточными напряжениями
- •1.1. Химические механизмы разрушения
- •1.2. Высокотемпературные механизмы с участием испарения
- •1.3. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
- •1.4. Лазерное испарение
- •1.4.0. Кинетика испарения плоской поверхности
- •1.4.0.0. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
- •1.4.0.1. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
- •1.4.1. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
- •1.4.2. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением
- •1.4.2.0. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров
- •1.4.2.1. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.
- •1.4.3. Вытеснение расплава избыточным давлением паров
- •1.5. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения
- •Контрольные вопросы к разделу 2
- •0. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
- •0.0. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков
- •0.0.0. Оптический пробой газов
- •0.0.1. Оптический пробой идеально чистых твердых тел
- •0.1. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред
- •0.1.0. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред
- •0.1.1. Тепловая неустойчивость
- •0.1.2. Статистическая концепция оптического пробоя
- •0.1.3. Размерная зависимость порога пробоя
- •Контрольные вопросы к разделу 3
- •Глава 0. Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы
- •0.0. Двухтемпературная модель при сверхкоротком воздействии
- •0.1. Особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы
- •0.2. Особенности разлета вещества при фемтосекундном лазерном воздействии
- •0.3. Плавление при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов
- •0.3.0. Термическое плавление с высокими скоростями
- •0.3.1. Нетермическое плавление
- •0.4. Фотофизическая абляция
- •0.5. Уплотнение электронного газа и кулоновский взрыв в поверхностном слое проводника
- •0.6. Формирование лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов
- •0.6.0. Механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии сверхкоротких импульсов
- •0.6.1. Резонансная дифракция на плоской поверхности с периодической модуляцией оптических свойств
- •0.6.2. Формирование периодического профиля поля температур
- •0.6.3. Эволюция периодических поверхностных структур в расплавленном поверхностном слое
- •0.7. Силовое действие сверхкоротких импульсов на прозрачные диэлектрики
- •Контрольные вопросы к разделу 4
- •Список рекомендуемой литературы
- •Кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения
- •История кафедры лт и эп делится на
- •4 Разных периода:
- •1) Лазерное формирование многофункциональных зондов (мз) для зондовой микроскопии с целью создания универсальных зондовых микроскопов.
- •3) Наноструктурирование тонких металлических и полупроводниковых слоев.
- •4) Управление микрогеометрией, наношероховатостью и физико–химичекими свойствами поверхности материалов
- •2. Лаборатория лазерной очистки и реставрации произведений культуры и искусства (пкин) организована совместно с фирмой ооо «Мобильные лазерные системы».
- •Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика).
1.3. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
В начале 80-х годов было предположено, а в дальнейшем однозначно установлено, что поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) или поляритоны играют большую роль в воздействии мощного лазерного излучения на материалы (металлы, полупроводники), приводящем к их нагреву и разрушению. Одним из главных признаков и следствий генерации ПЭВ в процессе такого силового воздействия излучения на вещество является образование поверхностных периодических структур (ППС), представляющих собой систему упорядоченных линейных выступов и впадин рельефа поверхности. На рис. 1.3 представлены фотографии фрагментов остаточного микрорельефа поверхности, сформированного при воздействии на различные материалы лазерного излучения со следующими параметрами: рис. 1.3а – германий, длина волны =1,06 мкм, длительность импульса =200 нс, число воздействующих импульсов в серии =20, плотность мощности светового потока =6·107 Вт/см2, рис. 1.3б – кремний, =1,06 мкм, =1 нс, =1, =0,7·106 Вт/см2, рис. 1.3в – нержавеющая сталь, =1,06 мкм, =30 нс, =40, =3·107 Вт/см2, рис. 1.3г – титан, =10,6 мкм, =40 мкс, =80, =106 Вт/см2.
Рис. 1.3. Поверхностные периодические структуры, сформированные при воздействии на материал лазерного излучения с различными параметрами
Структуры имеют период порядка длины волны света и преимущественно ориентированы своими штрихами перпендикулярно проекции электрического вектора световой волны на поверхность (при линейной поляризации излучения). Согласно существующим физическим представлениям об образовании ППС, силовое воздействие обязано частичному преобразованию лазерного излучения в ПЭВ на резонансных периодических решетках, в той или иной мере представленных в пространственном спектре случайных неровностей реальной поверхности. Период и ориентация резонансных решеток (см. предыдущие разделы) соответствуют условиям, когда дифрагированные в плюс первом или минус первом порядке волны направлены вдоль поверхности. В процессе своего распространения они интерферируют с падающим лазерным излучением. В результате интерференции этих двух бегущих в различных направлениях волн возникает результирующее "неподвижное" распределение воздействующего излучения, модулированное в пространстве с тем же периодом, что и резонансная решетка. При достаточной интенсивности излучения в сформировавшемся интерференционном поле происходят неоднородный разогрев среды и вызванное им увеличение высоты резонансного рельефа вследствие активации различных тепловых процессов на поверхности. Последнее замыкает цепь положительных обратных связей и приводит к росту резонансного рельефа, от высоты которого зависят эффективность возбуждения ПЭВ и глубина модуляции интерференционного поля.
После окончания воздействия и остывания поверхности наведенный рельеф закрепляется в виде ППС. Конкретными процессами их образования могут быть испарение, оплавление поверхности и вытеснение расплава избыточным давлением паров, термокапиллярные явления и термохимические реакции, термические деформации и др. В целом явление носит универсальный характер и представляет собой интересный пример самоорганизации в системе, где изначально отсутствуют выделенные направления и структуры.
Формирование ППС наблюдается при воздействии лазерного излучения на поверхностно-активные среды в широком диапазоне длин волн (от ИК- до УФ-области спектра) и импульсов (от фемтосекундных до непрерывных воздействий). При этом явлению свойственна "память": рельеф может нарастать в течение серии световых импульсов.
Наиболее типичными материалами, на которых возникают ППС по описанному механизму, являются металлы и сплавы, а также большинство полупроводников, переходящих в поверхностно-активное состояние при достижении температуры плавления.
Период структур зависит от угла падения и состояния поляризации излучения: для p-поляризованного света он меняется в соответствии с зависимостью
,
а для s-поляризованного излучения близок к величине
.
Энергетические режимы получения ППС соответствуют нагреву материала до температуры, примерно равной температуре плавления (нижний предел), но не выше температуры развитого испарения и обычно относятся к диапазону умеренных плотностей светового потока = (0,1–100)·106 Вт/см2 в зависимости от длительности импульса. Как установлено в последние годы, ППС образуются под действием излучения с различным состоянием поляризации (линейной, круговой, хаотической).
Наряду с поверхностными поляритонами к образованию структур может приводить возбуждение светом волноводных мод. Этот процесс более свойствен диэлектрикам и неметаллизирующимся при плавлении полупроводникам. Период таких структур при нормальном падении излучения равен , где – показатель преломления материала, а их ориентация ортогональна рассмотренным выше.
Росту ППС сопутствует и специфическое оптическое явление — заметное уменьшение коэффициента зеркального отражения, связанное с генерацией ПЭВ (или других мод) и их поглощением при распространении вдоль поверхности. Вследствие этого изменяется поглощательная способность материала , которая может заметно возрасти, иногда почти до 1. Одновременно появляется совершенно специфическая размерно-ориентационная зависимость поглощения, определяемая направлением и длиной пробега ПЭВ, если последняя превышает размер зоны лазерного облучения. В этих условиях удается успешно управлять степенью теплового воздействия излучения, изменяя ориентацию электрического вектора световой волны относительно какого-либо другого выделенного направления, например направления движения мощного светового пучка вдоль поверхности.
Упомянутые особенности влияния ПЭВ на силовое действие лазерного излучения имеют существенное практическое значение для лазерной технологии обработки поверхности материалов. Одним из основных направлений здесь может стать получение дифракционных элементов, особенно перспективное для субмикронной литографии. Другое направление связано с управлением поглощательной способностью и характером распределения интенсивности света у поверхности при генерации ПЭВ путем изменения только поляризационных характеристик излучения. Это может найти применение в термообработке, сварке, фотоосаждении материалов сканируемым световым пучком и, судя по экспериментам с неодимовыми лазерами на ИАГ, с большой эффективностью.