Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Импульсная лазерная абляция и синтез кластеров 19
1.1. Кластеры, наночастицы и методы их синтеза 19
1.2. Воздействие лазерного излучения на вещество и его применения 25
1.3. Особенности лазерной абляции как метода синтеза кластеров 34
1.4. Нерешенные проблемы в синтезе кластеров методом лазерной абляции. Выбор объектов исследования. 38
Глава 2. Экспериментальная установка для исследования газа и плазмы с кластерами 42
2.1. Генерация кластеров при лазерной абляции и формирование кластерных пучков. Выбор метода диагностики кластеров. 42
2.2. Времяпролетная масс-спектрометрия лазерной плазмы и кластеров 45
2.2.1. Ионный источник масс-спектрометра. 47
2.2.2. Отражатель, детектор, система регистрации и управления экспериментом. 53
2.2.3. Общая характеристика масс-спектрометра.
Предельный диапазон регистрируемых масс. 60
2.3. Вакуумная и лазерная системы. Источник кластерного пучка 62
2.4. Методика проведения экспериментов. Времяпролетные распределения, частиц лазерного факела. Измерение скорости кластеров. 67
2.5. Другие методы диагностики, используемые в работе 69
2.6. Погрешности измерений 73
Глава 3. Динамика расширения лазерного факела в условиях формирования кластеров 77
3.1. Особенности динамики факела при наносекундных лазерных импульсах умеренной интенсивности. Экранировка излучения. 77
3.2. Тепловая модель лазерной абляции в условиях Российская
Государственна библиотек*
- Воздействие лазерного излучения на вещество и его применения
- Времяпролетная масс-спектрометрия лазерной плазмы и кластеров
- Вакуумная и лазерная системы. Источник кластерного пучка
- Тепловая модель лазерной абляции в условиях Российская
Введение к работе
Представленная работа посвящена изучению процессов формирования кластеров при испарении (абляции) твердых веществ импульсами лазерного излучения умеренной интенсивности. В работе исследованы механизмы и условия образования кластеров, а также динамика процессов, протекающих в этих условиях в продуктах абляции.
Разработка и исследование эффективных методов синтеза кластеров - малых частиц нанометровых и субнанометровых размеров — диктуется потребностями быстро прогрессирующих современных нанотехнологий. Кластеры, являясь особым состоянием вещества, проявляют свойства, отличные как от свойств составляющих их атомов (молекул), так и свойств массивного материала. Изучение путей формирования кластеров и стабильных наноструктур на их основе имеет фундаментальное значение для понимания поведения вещества на наноразмерных масштабах.
Техника импульсной лазерной абляции является одним из основных инструментов современных нанотехнологий. Использование достаточно коротких (наносекундные и короче) лазерных импульсов позволило достичь в последнее время значительного прогресса в таких направлениях как напыление наноструктурных пленок и создание новых наноматериалов. К достоинствам импульсной лазерной к абляции как метода синтеза кластеров относятся ее универсальность по отношению к материалу, возможность практически исключить наличие посторонних примесей, гибкость метода и возможность контроля процесса роста кластеров. Именно этим методом были открыты углеродные фуллерены, эндофуллерены и ряд других стабильных наносистем.
Ввиду сложности явления лазерной абляции, включающего в себя процессы поглощения излучения твердым телом, его плавление и испарение, формирование плазменного факела испаренного материала и его расширение в окружающее пространство, фотоэмиссию электронов и прямую эмиссию кластеров с облучаемой поверхности, химические реакции и реакции кластерообразования в факеле и другие процессы, до сих пор это явление изучено недостаточно. В особенности это касается аспекта, связанного с формированием кластеров. Исследования кластеров, образованных при импульсной лазерной абляции, активно развиваются на
Протяжении последних двадцати лет, однако в подавляющем большинстве работ режимы генерации кластеров найдены эмпирически на основе анализа конечного состава продуктов абляции, а динамика и механизмы их образования остаются невыявленными. Необходимо тщательное изучение стадий зарождения и роста кластеров для управления процессом их формирования, его оптимизации и поиска путей синтеза новых наноструктур.
Одной из основных проблем с точки зрения понимания и корректного описания процесса синтеза кластеров при импульсной лазерной абляции является идентификация частиц, образованных вследствие конденсации в расширяющейся лазерной плазме, и частиц, непосредственно эмитируемых с облучаемой поверхности, и выявление роли последних в формировании кластеров. Важнейшей фундаментальной задачей является выявление механизмов прямой эмиссии кластеров для различных типов материалов в зависимости от длины волны и интенсивности излучения. Необходимы также тщательные исследования динамики расширения продуктов лазерного испарения в вакуум и фоновый газ и поведения ионизованной компоненты лазерного факела в условиях образования кластеров, поскольку они определяют протекание реакций конденсации, испарения и коалесценции частиц в газовой фазе.
Таким образом, актуальность указанных проблем формирования кластеров методом лазерной абляции определяется как потребностями фундаментальных исследований поведения вещества на наноразмерных масштабах и механизмов формирования наноструктур, так и многочисленными практически важными приложениями, связанными в первую очередь с разработкой и оптимизацией контролируемого метода синтеза наноматериалов.
Целью работы является выявление механизмов и динамики образования кластеров при импульсной лазерной абляции на примере ряда конкретных кластерных систем, имеющих важное значение как для понимания фундаментальных аспектов формирования нанокластеров, так и для приложений, что предполагает:
1. разработку экспериментальных методик исследования динамики и состава факела при лазерной абляции в вакууме и в фоновом газе и динамики свободных кластеров, возбужденных лазерным излучением, а также создание соответствующего
экспериментального комплекса для проведения исследований с использованием этих методик;
2. исследование динамики расширения лазерного факела в условиях
формирования кластеров, анализ поглощения лазерного излучения в продуктах
абляции;
исследование динамики свободных кластеров, возбужденных импульсами лазерного излучения (ионизация, метастабильная фрагментация);
выявление механизмов и условий эффективного образования кластеров при импульсной лазерной абляции в вакууме и в фоновом газе;
идентификация кластеров, образованных в газовой фазе, и кластеров, эмитированных непосредственно с поверхности, и выявление роли прямой эмиссии в формировании кластеров в газовой фазе;
выявление механизмов прямой эмиссии кластеров с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, обеспечивающих «чистые» условия эмиссии без влияния побочных эффектов.
Научная новизна:
В диссертации получены следующие новые научные результаты:
Создан уникальный стенд для исследования потоков газа и плазмы с кластерами. С использованием сочетания масс-спектрометрической и молекулярно-^ пучковой диагностик разработана оригинальная методика исследования динамики импульсной лазерной абляции в стационарном фоновом газе, в том числе образования и разлета нейтральных и заряженных кластеров.
Предложена модель импульсной лазерной абляции в условиях образования и нагрева плазмы, позволившая впервые описать термическое испарение облучаемого материала и поглощение излучения плазмой в широком диапазоне интенсивностей лазерных импульсов от порога абляции до перехода к режиму фазового взрыва. С помощью модели впервые выполнен анализ полного баланса энергии наносе кундных лазерных импульсов при абляции ряда материалов.
Развита масс-спектрометрическая методика исследования распада метастабильных состояний и задержанной ионизации кластеров, возбужденных импульсным лазерным излучением. Обнаружен эффект задержанной ионизации эндофуллерена Ьі@Сео и найдено, что его потенциал ионизации превышает 6,4 эВ.
Впервые измерено время жизни метастабильного триплетного состояния
высоковозбужденной свободной молекулы фуллерена С60.
Найдены условия эффективного образования оксидных кластеров при лазерной абляции ВТСП в вакууме и в фоновом кислороде. Идентифицирован состав кластеров и впервые прослежена динамика их формирования для различных режимов абляции в фоновом газе от режима рассеяния на газе низкой плотности до пульсирующего режима разлета при высоком давлении газа.
Развита масс-спектрометрическая методика анализа кинетики химических реакций продуктов лазерной абляции с окружающим газом. Впервые измерены сечения реакций окисления атомов Y и Ва молекулярным кислородом при относительных энергиях столкновения 1-7 эВ.
Методом лазерной абляции впервые синтезированы в газовой фазе нейтральные кластеры фосфора Рп (до п = 40) и кластерные катионы Р„+ (до п = 91). Впервые наглядно установлена принципиальная роль прямой эмиссии структурных групп Рб-Рд, являющихся «строительными блоками» кластеров фосфора большего размера в лазерной плазме. Высказано предположение, что магический кластер Р2]+ имеет структуру додекаэдра, стабилизированную в плазме с помощью дополнительного атома фосфора.
Впервые получены в газовой фазе и исследованы нейтральные и положительно заряженные кластеры Sin размером до п = 10 при фемтосекундной лазерной абляции кремния в вакууме. Обнаружена прямая эмиссия кластеров при низких интенсивностях излучения. Впервые получено экспериментальное доказательство реализации кул оновс кого механизма эмиссии на основании равенства импульсов эмитируемых кластеров. Также впервые зарегистрирована популяция медленных кластеров, происхождение которой связано с развитием фазового взрыва при больших интенсивностях излучения.
Практическая ценность работы состоит в том, что она существенно расширяет существующие представления о процессах формирования кластеров при абляции материалов лазерными импульсами умеренной интенсивности. Полученные в работе экспериментальные данные, предложенная модель лазерной абляции в условиях поглощения излучения плазмой, а также использованные в работе методы и подходы к изучению динамики лазерной абляции и образования кластеров широко
используются для интерпретации научных результатов и имеют большое значение для оптимизации процессов синтеза новых наноматериалов и напыления наноструктурных пленок.
Предложенный метод анализа нагрева вещества лазерным излучением с учетом поглощения излучения в нагревающейся плазме открывает новые возможности для исследований условий реализации фазового взрыва и оценки критической температуры материалов. Развитая методика анализа энергобаланса лазерного излучения чрезвычайно полезна для оптимизации технологий, базирующихся на технике импульсной лазерной абляции.
Полученная экспериментальная информация о свойствах молекул фуллерена и эндофуллерена, в том числе первые данные о потенциале ионизации молекулы Li@C60, имеет фундаментальное значение для понимания физики процессов в высоковозбужденных свободных кластерах. Развитая методика исследования динамики кластеров, возбужденных лазерным излучением, может быть широко, использована для изучения задержанной ионизации и метастабильной фрагментации в других кластерных системах.
Результаты исследования образования кластеров при лазерной абляции ВТСП имеют большое значение для понимания процессов формирования тонких ВТСП пленок методом лазерной абляции в фоновом газе и оптимизации, режимов. напыления. Разработанная методика анализа взаимодействия продуктов абляции с фоновым газом открывает новые возможности для исследования кинетики химических реакций при больших энергиях столкновений.
Полученные в работе данные о прямой эмиссии кластеров с поверхности облучаемых материалов, а также результат о принципиальной роли эмитируемых кластеров как «строительных блоков» кластеров большего размера имеет исключительную важность как для понимания механизмов формирования кластеров, так и для разработки эффективного, хорошо контролируемого и управляемого метода синтеза кластеров на основе техники лазерной абляции. Эти результаты открывают также новые возможности для целенаправленного поиска новых стабильных нанокластерных систем, в том числе со структурами типа фуллеренов. Выполненные исследования условий и механизмов образования кластеров при абляции фемтосекундными импульсами имеют фундаментальное
значение для понимания физики взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с твердыми телами, а также для развития приложений фемтосекундной лазерной абляции.
Достоверность полученных результатов в первую очередь подтверждается использованием современных методов диагностики, главным образом масс-спектр ометрической и молекулярно-пучковой, тщательным анализом погрешностей измерений и тестированием экспериментальных методик на известных режимах. Достоверность полученных данных и выводов подтверждена также исследованиями с применением других экспериментальных методов, проведенных для тех же режимов абляции. Анализ механизмов образования кластеров и их возможных структур опирался на имеющиеся теоретические данные. Ряд экспериментальных результатов по динамике и механизмам лазерной абляции подтверждается сравнением с результатами численного моделирования. При этом в бол ьшинстве случаев достигнуто не только качественное, но и количественное совпадение без каких-либо подгоночных параметров. Достоверность и обоснованность многих полученных экспериментальных результатов подтверждается также тем, что позднее (или одновременно и независимо) они были получены другими исследователями.
Полученные результаты и их интерпретация определяют основные защищаемые положения. На защиту выносятся:
Методы, результаты и рекомендации по исследованию динамики и состава факела при импульсной лазерной абляции твердых тел в вакууме и в стационарном фоновом газе с использованием масс-спектрометрической диагностики и техники молекулярного (кластерного) пучка.
Модель импульсной лазерной абляции в условиях образования и нагрева плазмы, поглощающей излучение. Описание теплового механизма лазерной абляции в широком диапазоне интенсивностей лазерных импульсов от порога абляции до перехода к режиму фазового взрыва.
3. Результаты экспериментального исследования поглощения излучения в
лазерной плазме и динамики заряженной компоненты факела в условиях
поглощения. Установление корреляции между степенью поглощения излучения и
формированием популяции быстрых ионов лазерной плазмы. Результаты анализа
энергобаланса при абляции ряда материалов наносекундными лазерными импульсами.
4. Методика исследования распада метастабильных состояний и задержанной
ионизации кластеров. Результаты исследования динамики молекул фуллерена С60 и
эндофуллерена Li@C60, возбужденных импульсным лазерным излучением.
5. Результаты исследования образования кластеров при лазерной абляции
ВТСП в вакууме и в фоновом газе и идентификация состава кластеров. Установление
корреляции между режимами образования кластеров и напыления качественных
ВТСП пленок.
6. Методика исследования химических реакций продуктов лазерной абляции с
окружающим газом и экспериментальные данные по сечениям реакций атомов Y и
Ва с Ог- Результаты исследования пульсирующего режима разлета лазерного факела
в фоновом газе.
7. Результаты исследования образования нейтральных и заряженных
кластеров фосфора при лазерной абляции. Идея о принципиальной роли
«строительных блоков» в формировании кластеров фосфора и ее экспериментальное
обоснование. Гипотеза о стабилизации структуры додекаэдра магического, кластера-
Р2*і в лазерной плазме с помощью дополнительного атома фосфора.
8. Результаты исследования образования кластеров Sin при абляции* кремния*
наносекундными и фемтосекундными лазерными импульсами. Обнаружение прямой
эмиссии кластеров кремния. Обоснование происхождения эмитированных кластеров
механизмами кулоновского и фазового взрывов.
Работа была выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ по темам «Исследование теплофизических свойств материалов, перспективных для энергетики и новой техники» (Гос. per. 01.9.50. 001692), «Гидромеханика, тепломассоперенос и волновые процессы в многофазных и дисперсных системах» (Гос. per. 01.2.00 103366), а также в рамках
проекта № 410 «Напыление» Государственной программы по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (1989-1994 гг.);
проекта № 95098 «Размер» Российской научно-технической программы «Фуллерены и атомные кластеры» (1995-1997 гг.);
- гранта J3J100 Международного научного фонда и Российского правительства
«Формирование фуллеренов в источнике с лазерным испарением» (1995-1996 гг.);
- гранта Шведской Королевской Академии наук «Задержанная ионизация кластеров
и фуллеренов» (1999-2000 гг.);
фанта РФФИ 95-03-09012 «Кинетика образования фуллеренов при лазерном испарении: влияние температуры газового окружения» (1995-1997 гг.)
гранта РФФИ 97-02-18469 «Роль кластеров в формировании наноструктурных люминесцирующих пленок полупроводников методом лазерной абляции» (1997-1999гг,);
гранта РФФИ 99-03-33372 «Кластеры фосфора и нитрида бора: возможность и пути образования фуллеренов» (1999-2001 гг.);
гранта РФФИ 02-03-32221 «Нанокластеры фосфора, мышьяка и сурьмы: синтез методом лазерной абляции и возможные фуллереновые структуры» (2002-2004 гг.)
- гранта 2310 Международного научно-технического центра (JSTC) «Синтез
кластеров при импульсной лазерной абляции» (2003-2004 гг.)
- гранта 5208 ИНТАС «Механизмы образования кластеров при импульсной лазерной
абляции» (2004 г.).
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве, заключается в постановках (как лично, так и совместно с соавторами) экспериментальных и теоретических задач, разработке экспериментальных методик и создании использовавшегося в работе экспериментального стенда, построении модели абляции в условиях поглощения излучения в нагревающейся плазме, проведении всех экспериментальных исследований и их анализа совместно с соавторами, в трактовке приведенных в работе результатов моделирования и теоретических данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТ СО РАН, Санкт-Петербургского государственного технического университета, Гетеборгского университета (г. Ґетеборг, Швеция), Марсельского университета (г. Марсель, Франция), на заседании Шведского Королевского физического общества, на Всесоюзных и Международных конференциях:
- Всесоюзная конференция по формированию металлических конденсатов, Харьков,
1990 г.;
- Second World Congress on Superconductivity, Houston, USA, 1990;
VIII Всесоюзная конференция по взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1990 г.;
XI Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов, Ленинград, 8-13 июля 1991 г.;
Ш Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 1991 г.;
10th International Symposium on Plasma Shemistry, Bochum, Germany, 1991;
18th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Vancouver, Canada, 1992;
19th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, Oxford University, England, 1994;
2nd European Fluid Mechanics Conference, Warsaw, Poland, 1994;
7th International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters, Kobe, Japan, Sept. 12--16, 1994;
SPIE International Symposium "Photonics West", San Jose, USA, 1995;
3rd International Conference on Laser Ablation (COLA195), Strasbourg, France, May 22-26, 1995;
- XVI Всероссийский семинар "Струйные и нестационарные течения в газовой
динамике", Новосибирск, 1995; .fc
EUROMECH Colloquium 363 "Mechanics of laser ablation", Novosibirsk, Russia, 1997;
European Material Research Spring Meeting E-MRS'98, Strasbourg, France, June 16-19, 1998;
4th Biennial International Workshop on Fullerenes and Atomic Clusters (IWFAC'99), St. Petersburg, Oct. 4-8, 1999;
Nobel Symposium 117 on the Physics and Chemistry of Clusters, Visby, Sweden, June 27-July 2, 2000;
5th Biennial International Workshop on Fullerenes and Atomic Clusters (IWFAC2001), July 2-6,2001;
E-MRS 2001 Spring Meeting on Photon-Induced Processing, Strasbourg, France, 2001;
6th International Conference on Laser Ablation (COLA'01), Tsukuba, Japan, 2001;
- 11th International Conference on Small Particles and Inorganic clusters (ISSPIC11),
Strasbourg, France, Sept. 9-13,2002;
Gordon Research Conference on Laser Interactions with Materials, Andover, USA, August 1-6,2000;
Всероссийский семинар «Кинетическая теория и динамика разреженных газов», Новосибирск, 2002 г.;
E-MRS 2003 Spring Meeting on Photonic Processing of Surfaces, Thin Films, and Devices, Strasbourg, France, 2003;
6n Biennial International Workshop on Fullerenes and Atomic Clusters (1WFAC2003), St Petersburg, June 30 - July 4, 2003;
7th International Conference on Laser Ablation (COLA'03), Heraklion, Crete, Greece, Oct. 5-10, 2003.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы.
В Первой главе обсуждаются различные режимы импульсной лазерной абляции, рассматриваются имеющиеся и потенциальные применения техники лазерной абляции в различных технологиях и научных исследованиях. Акцент сделан на использовании техники лазерной абляции в нанотехнологиях и синтезе нанокластеров. Рассматриваются основные существующие методы получения кластеров и кластерных пучков и обсуждаются особенности и преимущества техники лазерной абляции как метода синтеза нанокластеров. Дается обзор нерешенных проблем в этой области, обсуждаются трудности изучения тех или иных аспектов образования и динамики кластеров, обосновывается выбор объектов исследования настоящей работы.
Во Второй главе приведено описание созданного экспериментального стенда и экспериментальных методик для исследования динамики лазерного факела, образующегося при взаимодействии импульсов лазерного излучения с твердыми веществами в вакууме и в фоновом газе, в том числе образования и разлета нейтральных и заряженных кластеров. Основное внимание уделено времяпролетной масс-спектрометрии кластеров, используемой в работе в сочетании с молекулярно-пучковой диагностикой. Обосновывается выбор методов диагностики. Обсуждаются особенности масс-спектрометрических измерений в лазерной плазме, в частности, сложности регистрации нейтральных кластеров на фоне собственных ионов плазмы, и пути их преодоления.
Описана методика измерения скоростей частиц лазерного факела. Приведено описание процедуры измерений и получения распределений кластеров по размерам и по скоростям - основной экспериментальной информации работы, на основании которой делались выводы о динамике и механизмах образования кластеров. Обсуждаются ограничения на размер и скорость кластеров, анализируемых масс-спектрометрическим методом. Дано также описание других экспериментальных методов, используемых в работе. Приведен анализ погрешностей измерений.
В Третьей главе исследуется динамика расширения лазерного факела в условиях формирования кластеров. На основе литературных данных обсуждаются особенности динамики лазерного факела, образованного при воздействии на твердые материалы наносекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности. Даны основные положения разработанной тепловой модели лазерной абляции для условий формирования и нагрева плазмы, поглощающей излучения. Показано, что с помощью модели можно описывать лавинообразный режим поглощения излучения в низкотемпературной лазерной плазме. Обсуждаются пределы применимости модели.
Приведены результаты измерений испаренной массы при абляции импульсами Nd:YAG лазера ряда материалов (графит, сверхпроводник УВа2Сиз07.х, ниобий). Показано, что предложенная модель хорошо описывает экспериментальные данные в широком диапазоне интенсивности излучения от порога абляции до перехода к# режиму фазового взрыва. Приведены результаты расчетов поведения температуры облучаемых мишеней во времени в зависимости от интенсивности излучения. Обсуждается возможность оценки критической температуры вещества на основе сопоставления данных расчета и эксперимента как максимальной температуры достигаемой в материале при условии реализации теплового механизма абляции, т.е. до нарушения его термодинамической стабильности. Приведены экспериментальные данные по ослаблению импульсов лазерного излучения продуктами абляции, выполнено сопоставление с результатами моделирования и получено хорошее согласие без каких-либо подгоночных параметров. На основе результатов расчетов и экспериментов проведен анализ полного баланса энергии наносекундных лазерных импульсов для рассмотренных условий абляции.
Приведены результаты зондовых измерений поведения ионов лазерной плазмы и сделано их сопоставление с результатами по поглощению в лазерной
плазме. Полученные данные о формировании быстрых (сверхтепловых) ионов в плазме анализируются с точки зрения их ускорения в самосогласованном амбиполярном электрическом поле и формирования двойного слоя. Установлена корреляция между поглощения излучения и формированием популяции быстрых ионов лазерной плазмы. Показано, что в условиях, когда имеет место ускорение ионов плазмы в амбиполярном электрическом поле, аппроксимация времяпролетного сигнала ионов с помощью распределения Максвелла-Больцмана по скоростям не является обоснованной, а параметры лазерного факела, найденные в результате такой аппроксимации не имеют физического смысла.
В Четвертой главе приведены результаты исследования динамики высоковозбужденных кластеров в газовой фазе на примере молекул фуллерена Сбо и эндофуллерена 1л@Сбо5 возбужденных импульсным лазерным излучением. Дано описание методики исследования распада метастабильных состояний возбужденных кластеров и их задержанной ионизации на значительных временах (до 100 мке) после возбуждения.
Приведены результаты измерения времени жизни метастаб иль ного триплетного состояния высоковозбужденной молекулы фуллерена С60, Дано описание методики измерения времени жизни на основе схемы pump-probe (накачка - зондирование) с использованием двух задержанных относительно друг друга лазерных импульсов с разными длинами волн. Полученные данные сопоставляются с известными данными по времени жизни триплетного состояния других систем и анализируются с точки зрения влияния на динамику распада возбужденного Сео-
Приведены результаты масс-спектрометр ического анализа каналов распада возбужденного эндофуллерена и их вклад в зависимости от степени возбуждения (или от интенсивности излучения). Показана возможность задержанной ионизации в молекуле Li@C60 и сделаны первые оценки ее потенциала ионизации.
Пятая глава посвящена изучению образования кластеров при импульсной лазерной абляции высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в условиях, типичных для напыления сверхпроводящих пленок. Приведены результаты измерений состава лазерного факела при абляции сверхпроводников YBa2Cu307 и GdBa2Cu307 в вакууме и выявлены условия, когда в факеле эффективно образуются оксидные кластеры. Показано, что происхождение кластеров связано с конденсацией
ті газовой фазе. Идентифицирован состав кластеров и показано, что они являются существенно нестехиометрическими а основной структурной единицей является окисел Y2O3 или GdaCb, к которым присоединены один или несколько простых окислов.
Приведены результаты исследования образования кластеров при абляции ВТСП в фоновом кислороде. Оценена доля атомов, переносящаяся при напылении пленок на подложку в виде кластеров. Обсуждается роль кластеров в лазерном напылении сверхпроводящих пленок.
Предложена и реализована методика исследования кинетики химических реакций при лазерной абляции в химически активный газ. Методика основана на аналогии ослабления потока частиц лазерного факела при абляции в газ низкой плотности и рассеяния на газе молекулярного пучка. Приведены результаты исследования реакций окисления атомов иттрия и бария при абляции в кислороде. Оценены сечения реакций для энергий столкновения 1-7 эВ.
Приведены результаты исследования динамики разлета лазерного факела в фоновый газ достаточно высокого давления. Зарегистрирован и охарактеризован пульсирующий режим разлета лазерного факела в этих условиях.
Шестая глава посвящена исследованию образования кластеров фосфора при импульсной лазерной абляции. Приведены имеющиеся в литературе теоретические*, данные о потенциальных структурах кластеров фосфора, в том числе о предсказании стабильных полых структур типа фуллеренов для ряда размеров. Приведены экспериментальные данные по образованию кластеров при абляции красного фосфора импульсами видимого и ближнего УФ диапазонов. Найдены условия, при которых кластеры фосфора образуются исключительно эффективно при абляции в вакууме. Зарегистрированы нейтральные кластеры Р„ размером до п - 91 и заряженные Рп+ (до п = 91). При этом заряженные кластеры являются преимущественно нечетными, а нейтральные - четными. Обнаружен доминирующий (магический) заряженный кластер размером п = 21 и высказано предположение, что кластер имеет полую структуру додекаэдра, стабилизированную в лазерной плазме с помощью дополнительного атома фосфора.
Анализируются механизмы образования кластеров фосфора. На основе анализа динамики разлета факела показывается, что в факеле изначально
присутствуют малые кластеры фосфора, являющиеся заготовками или «строительными блоками» больших кластеров, которые эмитируются непосредственно из мишени и облегчают процесс конденсации в газовой фазе. Найдено, что оптимальные условия эмиссии реализуются при абляции лазерными импульсами ближнего УФ диапазона. Сформулированы направления дальнейших исследований механизмов и условий образования кластеров фосфора.
Седьмая глава посвящена исследованию образования кластеров кремния при импульсной лазерной абляции. На основе литературных данных проанализированы особенности лазерной абляции кремния. Показано, в частности, что в этом случае имеет место сильная нетепловая эмиссия частиц с поверхности кремния, природа которой остается невыясненной.
Приведены результаты исследования образования кластеров при абляции кристаллического кремния наносекундными лазерными импульсами. При абляции в вакууме зарегистрированы впервые зарегистрированы нейтральные кластеры Sin размером до п = 6, а также заряженные кластеры Sin+ (до п = 8). Приведены результаты экспериментов по образованию кластеров при абляции в фоновом газе и установлено, что задержка момента образования кластеров Sin по отношению к импульсу абляции не превышает 1 мкс.
Приведены результаты исследования образования кластеров Sin размером до п = 10 при абляции в вакууме кремния фемтосекундными лазерными импульсами. Обнаружена прямая эмиссия кластеров и показано, что для ультракоротких импульсов возможна реализация по крайней мере двух различных механизмов эмиссии - кулоновского и фазового взрывов.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [100,121-124,131,142,149,151,170,171,178-180,199,223-244,492].
Автор выражает благодарность всем соавторам за плодотворное сотрудничество и коллегам по лаборатории за поддержку.
Воздействие лазерного излучения на вещество и его применения
Термин "абляция" означает удаление материала с твердой поверхности в макроскопических количествах при облучении мишеней высоко-энергетичными пучками частиц или света. Обычно под макроскопическим количеством вещества понимается несколько монослоев облучаемого материала и более. При удалении порядка или менее одного монослоя вещества говорят о десорбции. Следует подчеркнуть, что удаление материала с твердой поверхности лазерным излучением может происходить вследствие нагрева вещества через последовательность равновесных состояний с сопутствующим испарением, что обычно называется тепловым механизмом абляции, а также за счет нетепловых механизмов (например, электронных механизмов вследствие зарядки поверхности, Глава 7). Поэтому использовать термин "лазерное испарение" некорректно, и ниже будет использоваться термин "лазерная абляция".
Интерес к лазерной абляции возник вместе с изобретением первых лазеров [94], физические основы которых были заложены в работах [95,96], когда появилась необходимость разработки компонентов оптических систем, стойких к облучению мощным лазерным излучением. С этого времени лазерный луч направлялся на самые разнообразные твердые поверхности с различными целями. Уже в шестидесятые годы началось активное изучение собственно процесса "испарения" твердых материалов лазерным излучением, и уже тогда были определены основные приложения лазерной абляции в научных исследованиях и различных технологиях. С тех пор уже в течение более чем 40 лет круг этих приложений непрерывно растет, что связано с развитием новых лазерных систем и достижением все большей мощности лазерного импульса и меньшей его длительности.
Механизмы взаимодействия лазерного излучения с веществом зависят от параметров лазерного пучка и свойств облучаемого материала. Основными параметрами лазерного излучения с этой точки зрения являются длина волны, интенсивность, длительность импульса, угол падения на облучаемую поверхность и поляризация. Реакция материала на облучение определяется его физическими и химическими свойствами (состав, микроструктура, термодинамические и оптические свойства). На Рис. 1.2 представлена сводка режимов лазерной абляции и их разнообразных применений [97]. На Рисунке указаны также типы лазеров, работающих в соответствующих режимах интенсив ностей и длительностей импульсов. длительность импульса
Применения лазеров для обработки материалов и сопровождающие процессы (адаптировано из [97]). ИЛА/ИЛН - импульсная лазерная абляция/напыление. Модификация поверхностей включает окисление, азотирование, легирование и др. ЛО - лазерная очистка, ЛРИ - лазерное разделение изотопов. МФП/МФИ - многофотонное поглощение/ионизация. ЛВД/ЛВГ - лазерные волны детонации/горения. ЛХН - лазерохимическое напыление. ЛЭХТ - лазерное электрохимическое травление. ЛОМ - лазерное окисление металлов. На Рис. 1.2 приведены далеко не все процессы, происходящие при воздействии лазерным излучением различной длины волны, интенсивности и длительности на вещества разного сорта. Но и указанных процессов достаточно для того, чтобы продемонстрировать, что взаимодействие лазерного излучения с твердыми материалами является чрезвычайно сложным явлением, и его описание требует объединения знаний физики твердого тела, термодинамики, газовой динамики, физики плазмы, электродинамики и химии. К настоящему времени, несмотря на очевидные успехи в применениях импульсной лазерной абляции (ИЛА) в разнообразных технологиях, можно утверждать, что эта область знаний изучена недостаточно, особенно в отношении коротких (наносекундных) и ультракоротких (пико- и фемтосекундных) импульсов. В большинстве приложений режимы облучения найдены эмпирическим путем, и необходимы их изучение и моделирование для оптимизации имеющихся приложений и нахождения новых возможностей для использования. Кроме того, импульсная лазерная абляция является мощным научным инструментом и представляет самостоятельный научный интерес. Она открывает новые возможности изучения протекания химических реакций в реальном временном масштабе [98,99], исследования неравновесной термодинамики и проявления критических явлений в сверхбыстрых процессах [100], лабораторного моделирования процессов в звездных атмосферах при вспышках новых и сверхновых звезд [101,102].
Наиболее развитыми, и исторически возникшими первыми, областями применений импульсной лазерной абляции (ИЛА) являются сварка, резка, сверление, обжиг, упрочнение твердых поверхностей (Рис. 1.1) [4,103-105]. В этих целях в основном используются мощные СС 2-лазеры (длина волны Я,— 10,6 мкм) и Nd:YAG лазеры (Л = 1,064 мкм) в диапазоне мощностей 105 - 1010 Вт/см2 с длительностями импульсов от 10 мке до 100 мс. Размеры пятна облучения в этой области параметров варьируются от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров.
Как видно из Рис. 1.2, другая область активных применений ИЛА, возникшая в середине 80-х годов прошлого века и с тех пор на протяжении более 15 лет бурно развивающаяся, относится к диапазону длительностей импульса от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд. За такими режимами прочно укрепилось название наносекундная лазерная абляция [97]. Наиболее широко используемые в этой области лазеры - Nd:YAG лазеры (Я = 1,064 и 532 мкм) и эксимсрные лазеры, работающие в ультрафиолетовом диапазоне длин волн (ArF, KrF, KrCl, XeF, XeCl). Интерес к облучению материалов мощными наносекундными импульсами возник в 70-е годы в связи с идеей лазерного термоядерного синтеза, повлекшей за собой большое количество экспериментальных работ [например, 106-108]. К этому же времени относятся и первые попытки численного моделирования расширения лазерной плазмы в вакуум [109,110].
Новый всплеск интереса к наносекундной лазерной абляции возник в середине 80-х годов с открытием высокотемпературных сверхпроводников [111], развитием технологий напыления тонких пленок [112,113], разработкой эффективного источника кластерных пучков на основе лазерной абляции[114,115] и обнаружением фуллеренов в лазерной плазме [18]. В настоящее время наносекундная лазерная абляция является наиболее пригодным методом напыления тонких пленок со сложной стехиометрией и микрообработки хрупких материалов [97,112,113] и мощным инструментом изготовления компонентов микроприборов и микрооптических устройств, очистки поверхностей, сверления отверстий микронного размера, и др. [97]. Наносекундные лазерные импульсы все шире используются в медицине (офтальмология, дерматология, клеточная хирургия) [116], Лазерная абляция является в настоящее время одним из основных способов синтеза новых наноматериалов, о чем более подробно речь пойдет ниже (п. 1.3, Главы 5-7).
Времяпролетная масс-спектрометрия лазерной плазмы и кластеров
Детальное исследование динамики и механизмов образования кластеров при импульсной лазерной абляции предполагает проведение экспериментов в широком диапазоне условий абляции. Необходимо исследовать влияние интенсивности и длины волны излучения, сорта и давления фонового газа. Ключевым параметром с точки зрения экспериментального исследования здесь является давление фонового газа, поскольку этот параметр налагает наиболее серьезные требования к схеме эксперимента. В случае, когда диагностическим средством является масс-спектрометр ия, требующая при использовании глубокого вакуума, необходимо сформировать из лазерного факела кластерный пучок и корректно (по возможности без искажения состава) транспортировать его в высоковакуумную камеру масс-спектрометра. Такая транспортировка реализована во многих работах, использующих для синтеза и исследования кластеров схему Smalley [114,115] (Рис. 1.З.). Однако эта схема, будучи удобной для анализа конечного состава кластеров, не позволяет обеспечить контролируемые условия абляции и проследить за процессом формирования кластеров на произвольных стадиях абляции. Это связано с использованием импульсной подачи газа, что в свою очередь приводит к тому, что давление внутри камеры испарения является переменным во времени, а величина его, вообще говоря, неизвестна. К тому же в схеме Smalley нельзя провести сравнительные эксперименты по абляции в вакууме и в газе низкого давления из-за ограниченного объема импульсной камеры испарения.
Поэтому было решено в экспериментах данной работы, направленных прежде всего на изучение механизмов и динамики формирования кластеров, отказаться от схемы Smalley и проводить абляцию изучаемых материалов в стационарном потоке фонового газа. Это позволяет обеспечить фиксированные и хорошо контролируемые условия абляция, что является исключительно важным для понимания процессов образования кластеров и корректного определения оптимальных условий абляции, С другой стороны, использование стационарного газового источника налагает жесткие требования к вакуумной системе экспериментального стенда, что потребовало разработки специальной системы формирования кластерного пучка с высоко производительными средствами дифференциальной откачки.
В качестве основного диагностического средства выбрана времяпролетная масс-спектрометрия как наиболее информативный, универсальный и гибкий метод исследования кластерных потоков в настоящее время [4-7,14-18,59,63,73,176-181]. Безмагнитные времяпролетные масс-спектрометры обладают рядом важных для настоящей работы преимуществ по сравнению с другими типами масс спектрометров [245]. К этим преимуществам, в частности, относятся: (1) неограниченный (принципиально) диапазон масс исследуемых ионов, (2) возможность панорамного обзора как всего масс-спектра, так и отдельных его участков, а также (3) возможность быстрой (—10 мкс) регистрации масс-спектра.
Времяпролетная масс-спектрометрия позволяет, с одной стороны, исследовать кластеры в достаточно широком диапазоне их масс (размеров), а с другой —,, обеспечивает детальное исследование распределений кластеров по размерам, выявления наиболее стабильных магических кластеров, анализ как нейтральных, так и заряженных кластеров, а также анализ химического состава кластеров (последнее возможно в случае достаточно высокого разрешения используемого масс спектрометра). Общая схема экспериментов показана на Рис. 2.1. Мишень интересующего нас материала помещена в камере испарения объемом примерно 300 см3, давление фонового газа в которой может варьироваться от глубокого вакуума до сотен Паскаль. Все эксперименты проведены при комнатной температуре фонового газа. Мишень расположена на вращающейся державке и имеет трансляционную свободу перемещения относительно выходного отверстия камеры. Через это отверстие на мишень под нормальным углом падения направляется лазерный луч, который осуществляет абляцию мишени и формирует факел лазерной плазмы. Динамика разлета факела и его состав в зависимости от условий абляции и являлись основным предметом исследования в данной работе.
С помощью системы конических отборников (скиммеров) из факела вырезается кластерный пучок, который транспортируется в высоковакуумную К времяпролетному масс-спектрометру камеру времяпролетного масс-спектрометра для анализа. Система дифференциальной вакуумной откачки стенда, включающая три производительных турбомолекулярных насоса, позволяет обеспечивать давление в объеме масс-спектрометра не хуже 103 Па во всем исследованном диапазоне давлений фонового газа в камере испарения.
Важно подчеркнуть, что в работе рассматриваются режимы абляции импульсами низкой или умеренной интенсивности в диапазоне \07 - Ю9 Вт/см2 для наносекундных импульсов и 1012 - 1013 Вт/см2 для фемтосекундных импульсов. Это существенно ниже типичных интенсивностей для таких приложений лазерной абляции как генерация ионных пучков, элементный анализ и тем более термоядерный синтез. В рассматриваемых условиях температура плазмы не превышает единиц эВ, а типичная степень ионизации составляет проценты и меньше.
Вакуумная и лазерная системы. Источник кластерного пучка
В результате достигнуты следующие характеристики масс спектрометра. Разрешающая способность т/Лт 1000 по ширине пика на половине высоты при ширине области ионизации 7 мм и является практически постоянной во всем диапазоне масс. Высокая разрешающая способность прибора позволяет идентифицировать кластеры сложного состава массой до -1000 а.е.м. по изотопному составу входящих в него элементов. В данной работе это использовалось при анализе оксидных кластеров, образующихся при лазерной абляции высокотемпературных сверхпроводников (Глава 5), и реакционной способности кластеров фосфора (Глава 6). Масс-спектрометр позволяет независимо исследовать как собственные ионы лазерной плазмы, так и нейтральные частицы. Нейтральные частицы исследуемого молекулярного (кластерного) пучка могут быть ионизованы (возбуждены) импульсами электронного пучка или лазерного излучения. Коэффициент транспортировки ионов от области регистрации до точки детектирования составляет 30-50%, что при использовании системы накопления легко позволяет регистрировать отдельные ионы кластерного пучка. Эффективность регистрации нейтральных кластеров в 10+ - 10s раз хуже, что связано с низкой эффективностью ионизации электронным ударом (см. п. 2.2.1). Соответствующая чувствительность по парциальному давлению аргона в источнике составляет -3 10"9 Па (давление, при котором на вход детектора приходит один ион за один импульс работы прибора).
Важнейшая характеристика масс-спектрометра при исследовании кластеров -диапазон регистрируемых масс - ограничивается в нашем случае главным образом уменьшением эффективности детектирования больших кластеров. Индуцированная кластером эмиссия вторичных электронов с поверхности зависит от скорости прилетающей на поверхность частицы и падает практически до нуля при пороговом значении скорости около 20 км/с [47,255]. В большинстве экспериментов данной работы кинетическая энергия положительных ионов, прилетающих на детектор, была 5 кэВ, (складывается из средней энергии 1,7 кэВ, полученной ионами при ускорении в области регистрации и 3,3 кэВ вследствие дополнительного ускорения перед детектором), что и определяет предел регистрации в 3000 а.е.м. При исследовании отрицательных ионов энергия частиц на входе в детектор не превышала 3 кэВ, и, соответственно, диапазон регистрации отрицательных ионов ограничен массой — 1800 а.е.м.
Другое ограничение на максимальную регистрируемую массу обусловлено использованием «перпендикулярной» конфигурации ионного источника. Оно связано с тем, что кластеры больших размеров, перед тем как попасть в отклоняющую систему, проводят значительное время в ускоряющем поле (Рис. 2.4). Если при этом начальная скорость кластеров vo достаточно велика, они могут за это время успеть пролететь расстояние, превышающее зазор между отклоняющими пластинами и, соответственно, быть потерянными для регистрации. Такая ситуация может возникнуть в случае эффективного образования больших кластеров при конденсации в факеле, когда кластеры в широком диапазоне масс имеют близкую скорость (см. Главы 5 и 6) или в случае ускорения кластеров в сверхзвуковой струе газа-носителя [60,180,242,256,257]. Оцен им предельную регистрируемую массу, частицы, обусловленную этим ограничением. Время, за которое частица ускорится и вылетит из ионного источника есть [245] f, =2x-j2E0/mt где х расстояние от точки рождения иона до конца ускоряющего промежутка, 0 — энергия иона на выходе из источника. За это время ион сместиться на расстояние v0/l5 которое должно быть меньше, чем входной зазор /оп отклоняющей системы. Приняв, что характерная скорость кластеров v0 - 1,7 км/с (примерно такую скорость имеют кластеры фосфора при абляции в вакууме, см. Главу 5; это же значение соответствует предельной скорости сверхзвуковой струи гелия при комнатной температуре торможения), найдем, что для наших условий (х = 16 мм, Ео — 1,6 кэВ, /оп - 6 мм) предельное значение массы равно 4000 а.е.м. Следовательно, в нашем случае в большинстве ситуаций «перпендикулярная» схема формирования ионного пучка не приводит к снижению регистрируемого диапазона масс, хотя при несколько больших скоростях кластеров этот фактор может стать лимитирующим. Для уменьшения роли этого фактора и увеличения пропускной способности отклоняющей системы последняя максимально смещена от оси ионного источника в направлении начального движения кластеров в пучке. Большая часть экспериментов, представленных в данной работе, была выполнена на установке Института теплофизики СО РАН (см. Рис. 2.3) с помощью масс-спектрометра, описанного в п. 2.2. В то же время ряд исследований проведен на вакуумных установках Университета г. Ґетеборга, Швеция (часть экспериментов по образованию кластеров фосфора, Глава 6, и по динамике возбужденных фуллереков, Глава 4) и Университета г. Марселя, Франция (эксперименты по фемтосекундной абляции кремния, Глава 7). Обе эти установки оснащены врештролетными масс-спектрометрами типа масс-рефлектрон, которые по конструкции и по характеристикам близки к описанному выше прибору Института теплофизика, созданному при выполнении данной работы. В то же время эти установки обладают рядом своих особенностей, в частности, несколько отличающимися геометриями ионного источника и системы формирования пучка, другими лазерными системами. Использование этих установок позволило существенно расширить диапазон исследуемых условий, а также провести ряд тестовых экспериментов по воспроизводимости отдельных результатов на различных установках. Установки Университетов гг. Ґетеборга и Марселя были существенно модернизированы автором и адаптированы для исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом в соответствие с принципами, изложенными в данной Главе.
Тепловая модель лазерной абляции в условиях Российская
Лазерные импульсы длительностью 10 не умеренной интенсивности (107 -109 Вт/см2, что соответствует плотностям энергии ОД-10 Дж/см2) в настоящее время являются наиболее используемыми в таких приложениях лазерной абляции как напыление тонких пленок, синтез кластеров и наноструктур в газовой фазе и на поверхности, микроструктурирование поверхности, анализ макромолекул, в частности, биологических (последнее с помощью техники MALDI, m atrix-assisted deposition and ionization [113]). Такое широкое применение обусловлено с одной стороны большими успехами в создании стабильных, надежных и простых в использовании наносекундных лазеров умеренной мощности, а с другой -значительными преимуществами наносекундных импульсов для этих приложений (см. Главу 1). Именно с использованием техники наносекундной лазерной абляции для генерации кластеров в настоящее время получена основная информация о свойствах кластеров в газовой фазе.
Знание детальной картины динамики расширения лазерного факела в этих условиях (как в вакуум, так и в фоновый газ) является важным для оптимизации вышеперечисленных процессов и имеет самостоятельное фундаментальное значение. Однако из-за сложности наносекундной лазерной абляции до сих пор отсутствует теоретическое описание этого процесса, справедливое в широком диапазоне условий взаимодействия лазерного излучения с веществом. Сами механизмы абляции под действием наносекундных импульсов остаются предметом дискуссии. Известно, что для возникновения развитого процесса кипения испаряемого материала необходимы времена нагрева порядка 1-10 мке [105,261], поэтому испарение материала импульсами с характерной длительностью 10 не происходит без кипения и сопровождается формированием плазмы, начиная практически с порога испарения [97]. В то же время в ряде работ полагается, что при наносекундной лазерной абляции испарение вещества происходит за счет кипения поверхностного слоя мишени с температурой кипения Ть при нормальных условиях вне зависимости от режима облучения [262,263].
Общепринятым является мнение [97], что мишень в процессе облучения остается в состоянии термодинамического равновесия, поскольку характерное время энергообмена между электронами, поглотившими излучение, и решеткой составляет 1-10 пс, что много меньше длительности импульса. Поэтому доминирующим механизмом наносекупдной лазерной абляции (по крайней мере, для умеренных интенсивностей вблизи порога абляции) является тепловое (нормальное) испарение. По-видимому, это справедливо для таких материалов, как металлы или графит, в которых излучение поглощается электронами проводимости (хотя и в этом случае возможны оговорки, и имеются свидетельства проявления нетепловых механизмов [264]). При абляции полупроводников и диэлектриков ситуация является более сложной, поскольку возможно формирование локализованных возбужденных состояний и электрон-дырочных пар [265,266], что может существенно замедлять процесс электрон-решеточной термализации. Возможна также значительная зарядка поверхностного слоя таких мишеней в процессе облучения [267-269]. Указанные процессы могут приводить к значительной нетепловой эмиссии атомов и кластеров с поверхности мишени [269-273].
Кроме того, абляция любых материалов может осуществляться за счет другого механизма - так называемого фазового взрыва. При увеличении интенсивности лазерного импульса до некоторого порогового значения, когда вещество в течение импульса нагревается настолько, что оказывается в окрестности критической точки, его термодинамическая стабильность нарушается, и вещество взрывным образом переходит в парожидкостную фазу [89,128,129]. В экспериментах с наносекундными импульсами фазовый взрыв наблюдается при 5-25 Дж/см (зависит от материала и длительности импульса) по резкому увеличению общей массы унесенного вещества и появлению в продуктах абляции значительного количества микрокапель [100,125-127,274]. Теоретического описания этого механизма пока нет. Также в большинстве случаев нет информации, при каких параметрах вещества он реализуется. Впервые режим нормального испарения вплоть до перехода к фазовому взрыву был описан в [100] с помощью развитой в данной работе модели. В рассматриваемых условиях облако испаренного вещества представляет собой низкотемпературную плазму с характерной температурой в единицы эВ, а начальная степень ионизации может достигать десятки процентов [124]. При расширении лазерного факела значительная часть энергии ионизации передается поступательному движению расширяющегося вещества посредством процессов рекомбинации [161]], поэтому степень ионизации факела обычно порядка 1% и меньше [148,158]. Тем не менее, наличие в факеле ионов, которые являются зародышами конденсации [8,63,217] играет исключительно важную роль в образовании кластеров. Очевидно также, что процессы ионизации и рекомбинации в факеле существенно влияют на поведение газодинамических параметров расширяющегося вещества и их необходимо учитывать для адекватного моделирования процессов лазерной абляции. Такие модели известны для описания лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) [109]. Для умеренных мощностей лазерного излучения в большинстве газодинамических моделей факела формированием плазмы либо пренебрегается [153,182,183,275,276], либо степень ионизации в факеле рассчитывается по формуле Саха [277], хотя известно[109,147] что при расширении лазерной плазмы в этих условиях процесс ионизации является сущесівенно неравновесным. В работах [126,131,147,231] была впервые предложена модель, описывающая разлет лазерного факела в фоновый газ с учетом кинетики неравновесной ионизации и рекомбинации в достаточно широком диапазоне интенсивностей лазерных импульсов наносекундной длительности. Позднее этот подход был использован в работе [278] при моделировании расширения лазерного факела в фоновый газ в двумерной постановке.
Как отмечалось в Главе 1, ионы лазерного факела испытывают ускорение в самосогласованном электрическом поле (двойном слое). Для высоких интенсивностей излучения ( 109 Вт/см2) достаточно подробно изучен в работах [106,136,137,279], в которых, в частности, была предложена оценка доли ускоренных ионов. Однако для менее интенсивных импульсов эта оценка не позволяет объяснить наблюдаемое ускорение [142,280]. Как показано в настоящей работе, в рассматриваемых условиях заметное ускорение ионов начинается с развитием поглощения плазмой лазерного излучения.
