Воздействие импульсного лазерного ультрафиолетового и инфракрасного излучения на полимеры и жидкие металлы Шулепов, Михаил Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Экспериментальное оборудование и схемы экспериментов 48

1.1. Эксперимент по определению зависимости оптических параметров тефлона от температуры 50

1.2. Описание эксперимента по исследованию динамики плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида-6 57

1.3. Описание эксперимента по исследованию спектральных характеристик плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида-6 . 60

1.4 Описание эксперимента по исследованию воздействия лазерного излучения на жидкие металлы 64

Глава 2. Взаимодействие излучения со2 лазера с политетрафторэтиленом при различных температурах образца 67

2.1. Результаты эксперимента по определению коэффициента пропускания тефлона 70

2.2. Результаты экспериментов по напылению тефлона 72

2.3. Воздействие излучением Хе-лазера на тефлон 80

2.4. Воздействие излучения СО2-лазера на полиметилметакрилат 81

2.5 Обсуждение экспериментов и выводы . 83

Глава 3. Взаимодействие лазерного излучение с полиметилметакрилатом и полиамидом -6 85

3.1. Динамика плазмы при воздействии импульсного ИК излучения на полиметилметакрилат 87

3.2. Спектральные и временные характеристики плазмы создаваемой на поверхности полимеров лазерным излучением 95

3.3. Моделирование процессов происходящих в плазме индуцированной лазерным излучением . 102

3.4 Результаты моделирования и выводы. . 106

Глава 4. Воздействие лазерного излучения на жидкие металлы 114

4.1. Результаты экспериментов по модификации поверхности жидких металлов 116

4.2. Теоретический анализ и обсуждение 125

Заключение . 136

Приложение 1 . 137

Список литературы 138

• Описание эксперимента по исследованию динамики плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида-6
• Результаты экспериментов по напылению тефлона
• Спектральные и временные характеристики плазмы создаваемой на поверхности полимеров лазерным излучением
• Теоретический анализ и обсуждение

Введение к работе

Актуальность работы. Использование лазерного излучения как инструмента взаимодействия с окружающей нас средой благодаря широкому диапазону энергетических временных и пр. характеристик позволило сделать большой шаг во многих областях науки и техники. Появилась возможность реализации новых бесконтактных методик диагностики материалов, их модификации, как то: лазерный спектральный анализ, лазерная микроскопия и оптическая томография [1-4]. Лазерное излучение позволяет сваривать, резать, спаивать различные материалы, причем с качеством швов, намного превышающим получаемые другими методами [5-8]. Благодаря лазерам стало возможным точно измерять расстояния и определять местоположения объектов [9]. Лазерное излучение используется для легирования, упрочнения материалов [8]. Оно минимизирует механическое воздействие на обрабатываемые детали и тем самым не вызывает их деформацию. Лазеры используются в химии для диагностики процессов и управления ими [10, 11]. Благодаря лазерному скальпелю резко уменьшается время регенерации тканей прооперированных органов, тем самым уменьшается время излечения больных [12]. На сегодняшний день невозможно представить микроэлектронику без лазера [13]. В общем, сегодня трудно найти область науки или техники, где, по крайней мере, не было попытки использования лазерного излучения. Однако с момента появления лазеров в связи с их универсальностью и широкими возможностями в применении лазерного излучения перед исследователями появилось необозримое поле деятельности. Многие вопросы решены, многое уже изучено, на что указывает сам факт широты использования лазерного излучения. Тем не менее, ряд проблем требует своего изучения. Так, в литературе мало работ, посвященных взаимодействию лазерного излучения с веществами, находящимися в отличных от обычного состояниях. Например, практически отсутствуют работы, в которых бы исследовался вопрос взаимодействия лазерного излучения с переохлажденными или перегретыми веществами. Действительно, на первый взгляд здесь не может возникнуть никаких вопросов, поскольку известно, что в точке воздействия лазерного излучения на материал температура может достигать десятков тысяч градусов, и потому предварительный разогрев или охлаждение вещества заведомо нивелируется воздействием лазерного излучения [14, 15]. Но, нельзя забывать, что показатель преломления, один из основных оптических параметров любого вещества, зависит от

температуры, как собственно и коэффициенты теплоемкости и теплопроводности.

Также необходимо учитывать, что процесс воздействия лазерного излучения на вещество не является моментальным. Поэтому динамика процессов, происходящих в веществе, находящемся на момент воздействия лазерным излучением в отличном от нормального термодинамическом состоянии, представляет определенный интерес. А в свете того, что "нормальные условия" для различных материалов с точки зрения их применения в науке и технике, как правило, находятся в широком диапазоне температур, то исследование процессов происходящих при воздействии лазерного излучения на материалы при различных начальных температурах вещества, становится весьма актуальной задачей.

На сегодняшний день в литературе можно найти множество работ, посвященных взаимодействию лазерного излучения с полимерами [16-20]. Как правило, это работы экспериментальной направленности, но можно встретить работы теоретического плана [21]. В основном, в данных предлагаются лишь качественные модели, предлагающие возможные механизмы процессов, изучаемых при воздействии лазерного излучения на полимеры. Анализ литературных источников показал, что для расчетов процессов, происходящих при облучении полимеров лазерным излучением, обычно используют тепловые модели, в той или иной степени учитывающие химию индуцированных лазерным излучением реакций или динамику оптических параметров, например экранирование лазерного излучения продуктами выноса. Но моделей, позволяющих прогнозировать результаты воздействия лазерного излучения на полимеры на сегодняшний день нет. Поэтому такие задачи, как получение напылений частицами с заданным размером, решаются путем подбора параметров лазерного излучения и условий, при которых проводится воздействие. Отсутствие расчетных работ, по-видимому, связано с большой сложностью процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на полимеры. Поэтому построение модели, позволяющей адекватно описывать хотя бы часть процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на полимеры, является еще одной актуальной задачей, на решение которой направлена данная работа.

В связи с рассматриваемыми проблемами целью работы ставилось выявление механизмов воздействия лазерного инфракрасного и ультрафиолетового излучения

и U T-V

наносекундной и микросекундной длительности на полимеры и металлы. В рамках данного направления НИР были сформулированы следующие задачи:

1. Изучение особенностей формирования микроструктур из тефлона (-C2F₄-)_n и полиметилметакрилата (-C5H₈O₂-)_n под действием излучения С0₂-лазера при различных собственных температурах образцов.

2. Исследование динамики образования и оптических свойств продуктов лазерной абляции при действии излучения С0₂-лазера с длительностью импульса 100 нс на полиметилметакрилат (-C₅H₈0₂-)_n и полиамид-6 (-NH-(CH₂)₅-C0-)_n.

3. Определение физико-химических факторов, влияющих - при воздействии наносекундных импульсов УФ- и ИК-излучения - на динамику поверхности легкоплавких металлов, помещённых в различные газовые среды и вакуум.

Методы исследования. Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, включающий в себя как измерение параметров лазерного излучения и лазерной плазмы (энергетические, временные, спектральные характеристики), так и исследование результатов воздействия лазерного излучения на материалы (измерение размеров, массы абляцированных частиц; гравиметрия кратеров, микроструктур на поверхности, подвергнутых воздействию материалов). При этом использовались стандартные методики измерений с использованием современных измерительных приборов. Для интерпретации результатов полученных в экспериментах, использовалось численное моделирование процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на исследуемые материалы.

Научные положения, выносимые на защиту:

3. 1. Охлаждение образцов из политетрафторэтилена и полиметилметакрилата с плотностями 2,2 г/см³ и 1,16 г/см от температуры деполимеризации до - 40C, в условиях воздействия импульсного CO₂ лазера с плотностью мощности излучения

   3,5-10 6-10 Вт/см и с длительностью в единицы - десятки микросекунд уменьшает средний размер абляцированных частиц до сотен нанометров и дисперсию их размера приблизительно в 1,5 раза.

   3. 2. При фокусировании лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм, мощностью 5 МВт/см², и длительностью на полувысоте 1 мкс, соответственно, на образцы из полиметилметакрилата и полиамида-6 с плотностями 1,16 г/см и 1,15 г/см3 процесс образования и разлета плазмы сопровождается двумя импульсами свечения в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Второй импульс свечения плазмы, возникающий через 8-10 микросекунд после окончания лазерного облучения, обусловлен процессами горения паров полимеров в кислороде, а время его появления зависит от химического состава паров.

      3. В окисляющей среде (SF₆, воздух) при воздействии на поверхность жидких металлов (In, Ga, сплав Вуда, сплав Sn-Pb) наносекундными импульсами лазерного излучения с длинами волн 337 нм и 1,06 мкм и с плотностью мощности, достаточной для образования плазмы и удаления оксидной пленки, вследствие капиллярного эффекта и последующего окисления жидкого металла на поверхности капли формируются микроструктуры из оксида металла, заполненные внутри жидким металлом. Рост микроструктур происходит от импульса к импульсу навстречу лазерному пучку, их высота достигает 5 мм, а диаметр сравним с диаметром фокусного пятна.

      Достоверность научных положений, выносимых на защиту, и прочих результатов

      Корректность первого положения обусловлена:

      1. применением общепринятых методик измерения значений параметров лазерного излучения, плазмы абляционного факела и продуктов выноса;

      2. постоянным контролем постоянства условий экспериментов;

      3. проверкой корреляции между результатами экспериментов и давлением окружающей атмосферы, её химическим составом, химическим составом облучаемых образцов и их чистотой;

      4. повторяемостью результатов с высокой точностью для соответствующих серий экспериментов (разброс данных составляет менее 20%);

      Правомерность второго и третьего положений обусловлена:

      5. применением общепринятых методик регистрации значений параметров излучения и лазерной плазмы;

      6. повторяемостью результатов, полученных при проведении серий экспериментов в одинаковых условиях;

      7. согласием экспериментальных данных с результатами численного моделирования (не хуже 10%) и данными авторов полученными в близких условиях эксперимента, представленными в [16, 17, 22].

      Научная новизна

      7. 1. Обнаружено изменение размеров аблированных частиц полимеров в результате импульсного лазерного воздействия при изменении собственной температуры образцов [2003 г.].

         2. Обнаружено, что импульс свечение лазерно индуцированной плазмы на поверхности полимеров полиметилметакрилата и полиамида-6 состоит из двух последовательных пиков [2006 г.].

         3. Обнаружено формирование микроструктур при многоимпульсном воздействии лазерного излучения УФ- и ИК- диапазона наносекундной длительности на жидкие металлы в присутствии химически активных газов [2011 г.].

         4. Сделано предположение о механизмах появления второго пика импульса свечения лазерно-индуцированной плазмы на поверхности полимеров.

         5. Определен механизм формирования микроструктур на поверхности жидких металлов под действием импульсного лазерного излучения УФ- и ИК- диапазона.

         Научная ценность

         7. 5. 1. Результаты исследований воздействия лазерного излучения на полимеры в атмосферах различных газов позволили более точно описать природу процесса образования и развития плазмы на поверхности полиметилметакрилата и полиамида-6.

               2. Выдвинуто предположение, что изменение количества продуктов абляции и размер аблированных частиц при изменении исходной температуры мишени определяются существенным влиянием температуры полимеров на их оптические характеристики и как следствие, на энергию лазерного излучения поглощаемую полимером (до начала плазмообразования).

               3. Сделано предположение, что появление второго пика импульса свечения лазерно- индуцированной плазмы на поверхности полиметилметакрилата и полиамида обусловлена химическими реакциями продуктов абляции с воздухом атмосферы.

               4. Показано, что формирование микроструктур на поверхности жидких металлов под действием импульсного лазерного излучение является результатом роста

               капилляра со стенками из оксидов (фторидов, нитридов) металла возникающих за счет взаимодействия чистого металла с окружающим газом.

               Практическая значимость

               Первое защищаемое положение и результаты, с ним связанные, позволяют создавать мелкодисперсионные полимерные порошки, тонкие однородные покрытия, а также варьировать глубину обработки полимеров лазерным излучением. Вытекающие из третьего положения и результатов, с ним связанных, представления о механизмах взаимодействия импульсного лазерного излучения с жидкими металлами позволяют создавать микрорельеф заданной конфигурации на поверхности металлов.

               Апробация. Основные результаты работы опубликованы в российских и зарубежных научных журналах, докладывались на Всероссийских и Международных конференциях:

               Laser Processing of Advanced Materials and Laser Microtechnologies: International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (Moscow, Russia 2002), CLEO/Europe (Munich, Germany,2003), XII Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск Россия, 2004), High-power laser ablation (Taos, USA,2004), III Всероссийская конф. «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, Россия, 2009), XLVII Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, Россия, 2009), 10-th International Conference on Laser Ablation (Singapore, 2009), LAT 2010: International Conference on Laser, Applications and Technologies (Kazan, Russia, 2010), XVIII International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers and High-Power Lasers (2010, Sofia, Bulgaria), International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2004, 2006, 2008, 2010), Международная конференция Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул - AMPL (Томск, Россия,2003, 2005, 2007, 2009)

               Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая 3 публикации в журналах из списка ВАК

               Личный вклад. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при непосредственном его участии. Автор участвовал в постановке задач, выборе методов, подготовке и проведении экспериментов, а также обработке и интерпретации результатов экспериментов. На основании экспериментальных данных, полученных автором, и с его участием в постановке задач и анализе результатов в Институте теплофизики СО РАН Н.М. Булгаковой, И.М. Бураковым и Л.А. Захаровым были проведены численные моделирования процессов лазерной абляции полиметилметакрилата и динамики микроструктур на поверхности жидких металлов под действием лазерного излучения.

               Объем и структура диссертации

               Описание эксперимента по исследованию динамики плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида-6

               Для получения частиц тефлона в результате воздействия импульсным ИК лазерным излучением на политетрафторэтилен нами был построен экспериментальные стенды на базе универсальных лазеров, "Фотон – 2" и "МИГ-1" (рисунок 1.1).

               Здесь представлены параметры излучения и схема этих установок, а также описание эксперимента и оборудования используемого нами для анализа результатов воздействия лазерного излучения на тефлон.

               Параметры лазерного излучения установок используемого в экспериментах, представлены в таблице 1.2.

               Форма импульсов излучения практически не изменялась и представлены на рисунке 1.4.

               Схема установки для получения частиц политетрафторэтилена при различных температурах мишени при воздействии импульсного лазерного излучения представлена на рисунке 1.5.

               Излучение лазера ("Фотон – 2" или "МИГ-1") (1) после прохождения делительной пластины (BaF) (2) фокусировалось линзой NaCl (3) на поверхности тефлоновой пластины (5) находящейся под небольшим наклоном, чтобы вылетающие в результате абляции частицы более локально попадали на поверхность кварцевой пластины (4). Для охлаждения мишени использовались либо пары жидкого азота, в случае необходимости получения относительно высоких температур мишени. Либо жидкий азот наливался в ёмкость, изготовленную из политетрафторэтилена. В этом случае мы получали температуры внешней поверхности емкости (мишени) ниже -100С.

               Нагрев мишени осуществлялся потоком разогретого воздуха подаваемого на заднюю стенку мишени тепловентилятором (6).

               Однако, из-за наличия конвекционных потоков воздуха около поверхности мишени в случае резкого контраста температур окружающей среды, и материала мишени поддержка стабильности температуры мишени является довольно сложной задачей. Выходом из этого положения являлось бы помещение мишени в вакуум, но в этом случае происходит разлет продуктов выноса. Частицы тефлона не локализуются на поверхности кварцевой подложки, что затрудняет сбор статистических данных. Так же неизвестно влияние химического состава атмосферы на формирование частиц.

               Контроль температуры осуществлялся с помощью платинового терморезистра Pt-100 (7) и мультиметра (8). Часть излучения после делительной пластины отводилось для контроля параметров на датчик (9). В зависимости от мощности излучения и необходимости в качестве датчика устанавливались либо ИКТ, либо пироэлектрический приемник PE-25 (OPHIR Opt.), либо фотоприемник ФП-1, с соответствующей регистрирующей аппаратурой. В качестве образцов использовались тефлоновые пластинки толщиной 5 мм.

               Аппаратура была откалибрована в оптическом диапазоне с погрешностью 5%. Для исследования частиц напыленных на кварцевую подложку врезультате воздействия лазерного излучения на тефлоновую мишень использовался металографический микроскоп ММР-4 (максимального увеличения х1500), В дальнейшем, с помощью металлографической программы DROPS II (представленной Лабораторией плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН) производился подсчет количества и размера частиц, Для выявления изменения массы образцов после облучения использовались аналитические весы ВЛР-200 (II класс точности (±0,00015 г)).

               Для исследования процесса динамики плазмы создаваемой на поверхности полимеров посредством воздействия импульсного лазерного излучения был построен экспериментальный стенд, позволяющий отслеживать динамику плазмы.

               В качестве источников излучения использовались универсальные ТЕА лазеры "Фотон – 2" и "ЛИДА" (рисунок 1.1). В данном эксперименте для воздействия на полимеры использовалось излучение на длине волны 10,6 мкм. Излучение генерировалось на смеси СО2:N2:Не = 8 : 3 : 11 в случае лазера "Фотон – 2", и СО2:N2:He = 1 : 1 : 3 в случае лазера "ЛИДА".

               Результаты экспериментов по напылению тефлона

               Для проверки зависимости продуктов абляции других полимеров от температуры было предложено в качестве материала подвергаемого воздействию лазерным излучением использовать полиметилметакрилат. Для проведения экспериментов использовалась схема (Глава 1, пункт 1.1, стр. 50), на базе лазерной установки "Фотон-2". Параметры воздействия следующие: - энергия в лазерном импульсе 290 мДж; - количество импульсов в одну точку 250-260; - температуры образца для каждой точки -31, 1, 27, 48С.

               В результате данной серии экспериментов были получены результаты по распределению размера напыленных частиц ПММА в зависимости от температуры образца (рисунок 2.9). Из графиков видно, что при воздействии лазерным излучением на более горячий образец, увеличивается размер напыленных частиц, особенно это заметно для образца, нагретого до 48С.

               Так же нами были проведены оценки размеров кратеров в образцах полиметилметакрилата, а поскольку в процессе эксперимента мы отслеживали энергетические параметры каждого импульса излучения, то были получены данные о количестве абляцированного за импульс полиметилметакрилата (рисунок 2.10).

               Видно, что при воздействии на более горячий образец полиметилметакрилата при прочих равных условиях приводит к увеличению абляцированного вещества за один лазерный импульс практически в полтора раза.

               Это означает существенное влияние температуры образцов при воздействии импульсным лазерным излучением на количество абляцированного вещества и размер напыленных частиц не только для тефлона, но и для полиметилметакрилата.

               На момент проведения исследований в литературе не существовало данных о зависимости оптических характеристик тефлона от температуры. Также до сегодняшнего дня, по-видимому, не проводилось моделирования процессов происходящих при воздействии лазерного излучения СО2-лазера на фторполимеры. Связано это, скорее всего с большой сложностью процессов происходящих при лазерном воздействии на фторполимеры. Поскольку необходимо учитывать не только плазмохимические процессы, происходящие в лазерном факеле, термодинамические процессы, происходящие на поверхности и в объеме материала подвергаемого воздействию лазерного излучения, но и фотофизические процессы которые зависят от текущей температуры материала.

               На сегодняшний день существует качественная модель, предложенная в группе Толстопятова Е.М. [109,108]. Исследования группы Е. М. Толстопятова показали, что несмотря на слабое поглощение тефлоном излучения СО2 лазера PTFE может весьма хорошо разрушаться под действием этого излучения. Это объясняется разрушением связи С-С в результате разогрева (энергия связи С-С в углеродном скелете органических молекул лежит в интервале 352-368 кДж/моль [ ]) и возникновением неустойчивого мономера тетрафторэтилена CF2=CF2, существующего только в газовом состоянии, который эффективно поглощает излучение СО2 лазера. Вследствие поглощения газ разогревается и нагревает окружающий твердый тефлон. В результате этого процесса, в объеме материала накапливается газ, который концентрируется в пузыри. Пузыри в свою очередь, при повышении давления взрываются и выносят из материала частицы PTFE. Этот механизм получения частиц тефлона работает только в случае облучения мишени длинным импульсом излучения ( 1мкс) либо излучением непрерывного лазера.

               Однако, в случае облучения тефлона коротким импульсом излучения ( 100нс) такой механизм реализоваться не может, поскольку в объеме материала за время существования импульса излучения не успевает образоваться достаточного количества газового мономера для взрыва газовых пузырей. Тем не менее, как показали, в том числе и наши исследования [23-29, - ], вынос вещества в случае короткого импульса также происходит.

               Модель, предложенная в группе Толстопятова Е.М. так же не объясняет зависимость размера частиц от температуры облучаемого материала. Проведенные нами исследования воздействия излучения СО2 лазеров на политетрафторэтилен при температурах -42С, 21С, 80С, 132С, а также на полиметилметакрилат при температурах -31С, 1С, 27С, 48С впервые показали, что охлаждение мишени приводит к уменьшению количества аблированного материала, уменьшению среднего размера частиц тефлона, а также к уменьшению дисперсии частиц по размеру. Данное явление, по-видимому, не в последнюю очередь связано с изменениями оптических характеристик политетрафторэтилена от температуры. Также, необходимо учитывать изменение прочности, вязкости, хрупкости полимеров при охлаждении [101]. На наш взгляд, изменение этих параметров при воздействии импульсным лазерным излучением и как следствие возникновением ударной волны в области фокусировки излучения на материалах, должно оказывать наибольшее влияние на размер и количество аблированных частиц. Но экспериментов по обнаружению непосредственного влияния перечисленных параметров полимеров на характеристики аблированного вещества не проводилось. Выявление этой связи, а также поиск других возможных причин данного явления является весьма актуальной задачей и требует проведения дополнительных систематических исследований.

               Спектральные и временные характеристики плазмы создаваемой на поверхности полимеров лазерным излучением

               Схема эксперимента и описание экспериментального оборудования используемого при проведении данного эксперимента представлены в пункте 1.4, первой главы (стр. 60). В экспериментах использовались образцы, изготовленные из блочного прозрачного полиметилметакрилата (оргстекла, PMMA), выполненного по ГОСТ 17622-72 и полиамида марки ПА-6, изготовленного по ТУ 6-06-35-89. Чтобы избежать влияния люминесценции на результаты измерений, торцы мишени из оргстекла покрывались непрозрачным материалом.

               В результате экспериментов были получены интегральные спектры плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата и полиамида-6 в результате воздействия ИК излучения лазера "ЛИДА". Спектры были получены при нормальном и пониженном давлении воздуха (рисунки 3.7, 3.8). Расшифровка спектров проводилась по [ - , ]. Полученные спектры данных двух материалов достаточно близки. Явное отличие можно выделить в области длин волн 200-250 нм при облучении полимеров в воздухе атмосферного давления. В данной области спектра в которой интенсивность свечения полиамида-6 существенно выше, чем оргстекла. При 10-2 мм рт. ст. в спектре присутствуют атомарные линии азота, кислорода, водорода, углерода, обусловленные десорбированным, остаточным газом и/или продуктами деструкции полимеров.

               В то же время при воздействии в воздухе атмосферного давления в спектре проявляется большое количество линий, принадлежащих молекулярным ионам и молекулам, не наблюдаемых в спектрах, полученных при низком давлении, что может свидетельствовать о достаточной концентрации атмосферных газов для возникновения химических реакции с материалом эрозионного факела. При этом существенно возрастает интенсивность красных линий молекулярного азота и атомарного кислорода. Также возрастает интенсивность фона, который может возникать за счет излучения плазмы оптического пробоя в воздухе. Общими для полученных спектров являются группы линий (l 370520 нм) видимо обусловленных деструкцией материала мишени. Здесь можно выделить фиолетовую систему циана (CN) в областях 375-397 нм (наиболее сильные линии 387 и 388.23 нм) и 400-420 нм, которые наблюдаются в спектре продуктов абляции полимеров и в спектре оптического пробоя в воздухе [123,124].

               На рисунке 3.7 приведен детальный спектр свечения плазмы вблизи поверхности оргстекла в атмосферном воздухе в диапазоне длин волн 300 - 400 нм. В спектре обозначены полосы ОН, азота, циана (CN), С2, формальдегида (CH2O) которые совпадают с полосами, зафиксированными в спектрах горения пропана и этилена в сверхзвуковом потоке воздуха при инициировании электрическим разрядом (рисунок 3.9) [ , ].

               Данный факт также может служить подтверждением возникновения химических реакций при расширении эрозионного факела ПММА в атмосферный воздух. Осциллограммы импульсов свечения эрозионного факела, образованного на поверхности ПММА и полиамида-6, на различный спектральных линиях приведены на рисунках 3.7 – 3.10. При облучении полимеров в воздухе атмосферного давления можно выделить следующие общие моменты в динамике отдельных спектральных линий. На всех исследованных линиях в момент начала свечения эрозионного факела наблюдаются резкие короткие пики. Интенсивность свечения данных пиков к началу зажигания оптического пробоя в воздухе резко спадает. В течение действия лазерного импульса (горения оптического пробоя в воздухе) свечение линий достаточно слабо. Затем после окончания действия лазерного импульса и спада свечения пробоя воздуха в момент времени 8-10 мкс на молекулярных полосах и ионных линиях в УФ- и видимой части спектра появляются повторные вспышки. На красных линиях атомарного кислорода и молекулярного азота повторные вспышки выражены слабее или отсутствуют. Кроме того, на этих линиях наблюдаются пики интенсивности, близкие во времени к максимуму свечения оптического пробоя. Следует отметить, что возникновение повторных вспышек сильно зависит от энергии падающего лазерного излучения. При уменьшении энергии лазерного импульса на 20-30% вероятность появления вспышки уменьшается, а при энергии излучения 1,5 Дж и менее, повторные вспышки не наблюдаются. На сигналах, полученных с фотодиодов повторные вспышки не видны из-за низкой чувствительности данных приборов.

               Аналогичный эффект наблюдается при воздействии лазерного излучения на полиамид-6 (рисунок 3.11). Так же наблюдается плазменного факела в процессе излучения лазера. После окончания лазерного импульса факел затухает и через 7-10 мкс, в зависимости от спектральной линии, после начала воздействия можно вновь наблюдать свечения плазмы При воздействии при низком давлении на осциллограммах импульсов свечения спектральных линий также видны пики интенсивности в момент формирования эрозионного факела длительностью 2 – 2,5 мкс. Затем происходит постепенное затухание свечения линий в течение » 25-30 мкс (рисунок 3.12).

               Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. В начальный момент времени плазма формируется в фокальной области в плотных газах эрозионного факела, что приводит к быстрому возбуждению и высвечиванию продуктов деструкции полимеров. Затем оптический пробой перемещается в окружающий воздух, мишень экранируется, и интенсивность свечения в приповерхностной области спадает. Измерения показали, что энергия лазерного излучения, прошедшая через оптический пробой в воздухе, может уменьшиться на порядок. Тем не менее, в фокальной области остается плотное светящееся образование (см. рисунки 3.1, 3.4), которое подогревается лазерным излучением и в котором за счет диффузии может происходить перемешивание испаренных продуктов с атмосферным воздухом. В данной области затем может начаться химическая реакция между кислородом и азотом воздуха с продуктами деструкции полимеров. В пользу данного предположения говорить близость полученных спектров свечения и спектров горения органических веществ в воздухе (рисунки 3.7 и 3.9) [ - , ].

               В случае воздействия при низком давлении концентрация окислителя в остаточном газе слишком мала для возникновения химической реакции с продуктами испарения мишени. Соответственно, наблюдается медленный спад интенсивности свечения на отдельных спектральных линиях, а повторная вспышка не возникает.

               Теоретический анализ и обсуждение

               Поскольку процесс формирования микровыступа явно связан с режимом, где происходит абляция жидкого металла, для оценки температуры нагрева и глубины абляции в результате облучения однократным импульсом и расчета соответствующих профилей температуры была использована тепловая модель, подробно описанная в [130, 131] и рассмотренная в пункте 4.3, четвертой главы данной работы. В силу неизвестных параметров поглощения лазерного излучения в плазме эрозионного факела, мы не учитываем эффект плазменного экранирования и рассматриваем результаты моделирования в качестве верхнего предела для оценки как температуры, так и глубины абляции. На рисунке 4.7, представлены результаты моделирования для жидкого галлия (Т0 = 30C), облученного импульсом Nd : YAG лазера. Следующие термодинамические параметры галлия были использованы при моделировании: температура кипения Tb = 2477К и энтальпия испарения DHv = 3643 Дж/г [ ]. Оптических свойств жидкого галлия были приняты из [ ] экстраполяцией известных зависимостей k и n для = 1064 нм, что дает коэффициент отражения R = 0,91 и коэффициент поглощения = 1,32ґ106 см-1. В соответствии с расчетами при F0 = 3,2 Дж/см2, облученная поверхность галлия нагревается до 4800К (рисунок 4.7, а), что вызывает абляцию слоя жидкости толщиной » 5 нм (см. рисунок 4.7). Однако, такая высокая температура поверхности существует лишь в течение нескольких наносекунд, после чего тепло отводится в глубину мишени. Слой толщиной, по крайней мере, 1 мкм нагревается до температуры порядка 1000К. Принимая во внимание коэффициент линейного расширения расплавленного галлия (1,8ґ10-5 К-1 [184]), линейное расширение составит » 20 нм, что значительно больше, чем глубина абляции. Таким образом, сразу же после облучения, на поверхности жидкого металла должен вместо кратера возникнуть выступ. Отметим, что в рассматриваемых режимов, максимальная температура поверхности значительно ниже критической (Тc = 7125К [184]). Кроме того, максимальная температура значительно ниже порога перехода от нормального испарения в режим фазового взрыва ( 0.8Tc [ ]), и нельзя ожидать резкого увеличения глубины абляции. Принимая во внимание возможное влияние экранирования плазмы, глубина абляция может быть еще меньше, чем показано на рисунок 4.7, в. Следует отметить, что при расчетах нагревание слоя оксида на металлической поверхности не рассматривается. Существование такого слоя может также влиять на динамику абляции. Для использованных нами лазерных длин волн и жидких металлов большинство соединения металл - неметалл либо прозрачно для излучения, либо имеет гораздо меньший коэффициент поглощения по сравнению с чистым металлом [ ]. В результате лазерное излучение проникает через тонкий слой оксида (нитрида, фторида и др.) и падает на поверхность металла. При контакте с нагретым лазерным излучением жидким металлом данный внешний слой нагреется и будет либо термически разложен при достижении температуры разложения или, с большей вероятностью, будет разрушен за счет высоких термических напряжений [ ]. Если во время стадии охлаждения после лазерного импульса, рельеф на поверхности не покроется "цементирующим" слоем оксида (нитрида, фторида и др., в зависимости от состава окружающего газа), возникший микровыступ исчезает. Действительно, в условиях вакуума или в атмосфере инертных газов, появление микроструктур не наблюдается, и становится ясно, что создание жесткого "химического конверта" играет важную роль для роста поверхностного рельефа. Поэтому можно предположить, что поверхность микровыступа подвергается быстрому окислению (азотированию, фторированию, и т.д., в зависимости от газовой среды) и предложить схему образования микрорельефа, которая представлена на рисунке 4.8 для облучения в воздухе. Рост микроструктуры на поверхности можно разбить на три этапа:

               Капля жидкого металла, находясь в воздухе, подвергается окислению, ее поверхность покрыта сплошным слоем окисла, который плохо поглощает лазерное излучение. Лазерное излучение падает на поверхность металла через слой окисла (рисунок 4.6, а). Слой металла, нагреваемый лазерным излучением, расширяется и 2. частично испаряется (до нескольких нанометров, см. рисунок 4.6, в) вызывая разрушение оксидного слоя (рисунок 4.6, б).

               Продукты абляции (пары металла и разрушенного слоя оксида) расширяются в атмосферу. Горячий жидкий металл из-за теплового расширения выступает через отверстие, возникшее в оксидной оболочке. В течение интервала времени между двумя последовательными лазерными импульсами, поверхность выступа на жидком металле подвергается окислению (рисунок 4.6, в). При воздействии следующим лазерным импульсом на металл, процесс повторяется. Лазерный импульс, падающий на вершину возникшего выступа, испаряет небольшое количество металла. Если между импульсами на поверхности возникает тонкая пленка оксида, в области воздействия она разрушается и уносится факелом лазерной плазмы (рисунок 4.6, д). Поскольку в верхней части выступа оксида нет, а на его боковых стенках слой оксида сохраняется, капиллярные силы вызывают течение жидкого металла вверх через возникшую оксидную трубку вверх в геометрии облучения, представленной на рисунке 4.6 и т. д. По окончании облучения поверхность микроструктуры покрывается слоем окисла, как показано на рисунке 4.4.

               Если лазерный импульс падает на мишень в горизонтальном направлении, как показано на рисунке 4.1, жидкий металл выдавливается через оксидную трубку давлением внутри капли. Отметим, что в наших экспериментах рост микроструктур наблюдается в обеих геометриях облучения.

               В соответствии с описанным сценарием, скорость химических реакций на поверхности играет решающую роль для формирования микровыступов. Здесь рассмотрен рост структур за счет окисления поверхности. Однако, предложенный сценарий может иметь место и для других химически активных газов, которые могут создать жесткий каркас на поверхности жидкого металла. Процесс окисления происходит за счет диффузии катионов металлов через растущий слой оксида к поверхности образца, в то время как анионы кислорода диффундируют в обратном направлении [ , ]. Этот процесс усиливается при более высоких температурах. Кроме того, известен эффект лазерного усиления окисления металла, связанный с рядом факторов, таких как электронное возбуждение, повышение температуры, и формирование градиентов температуры [ ]. Эти механизмы и факторы, также регулируют химические процессы на поверхности металла в других химически активных атмосферах [ - , ]. Таким образом, можно ожидать, что частичное окисление на вершине растущего микровыступа происходит в течение промежутка времени между последовательными лазерных импульсов. Каждый следующий лазерный импульс вскрывает верхнюю часть структуры, что позволяет расплавленному металлу течь из объема через оксидную трубку под действием капиллярных сил или давления расплавленного материала в зависимости от геометрии облучения. В связи с этим важным параметром, который должен значительно влиять на скорость роста микроструктуры, является вязкость жидкого металла, значение которой экспоненциально падает с температурой [ ]. Медленный рост микроструктуры на поверхности Sn - Pb сплава по сравнению со структурами на других металлах (см. рисунок 4.1), может объясняться тем, что температура в 200С лишь незначительно превышает температуру плавления Sn - Pb сплава [182], но значительно выше соответствующих температур плавления сплава Вуда и индия (65,5C и 153C, соответственно). Это предположение подтверждается данными, представленными на рисунках 4.1 и 4.2, а именно, скорость роста микровыступа на Sn-Pb сплаве увеличивается с температурой, так как вязкость капли расплава падает.

               Похожие диссертации на Воздействие импульсного лазерного ультрафиолетового и инфракрасного излучения на полимеры и жидкие металлы

               Генерация импульсных и ВЧ токов и потенциалов при воздействии мощного оптического излучения на металлы в газовой средеМешалкин, Евгений Александрович

               Паро-плазменный факел в процессах воздействия мощного излучения волоконного лазера на металлыЩеглов Павел Юрьевич

               

               Воздействие интенсивного излучения мягкого рентгеновского диапазона на полимерСюй Цзэпин

               

               Анализ процессов плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсовСвирина, Вера Владимировна

               Эмиссия электронов и окисление металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсовСергаева, Ольга Николаевна

               

               Нано- и микроструктурирование поверхности металлов и полупроводников в воздухе при воздействии фемтосекундных лазерных импульсовМакаров Сергей Владимирович

               

               Фоточувствительность фосфоросиликатных световодов к воздействию излучения эксимерных лазеровРыбалтовский Андрей Алексеевич

               

               Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучкиЖвания Ирина Александровна

               Оптико-физические процессы при воздействии лазерного излучения на твердые биотканиБеликов, Андрей Вячеславович

               

               Дефектно-деформационное микро и наноструктурирование поверхностей твердых тел при воздействии лазерного излученияЕремин Константин Иванович