Введение к работе
Актуальность работы. Импульсная лазерная абляция (ИЛА) в последние годы привлекает все больший интерес как с точки зрения исследований фундаментальных процессов в веществе в экстремальных условиях сверхбыстрого подвода энергии, так и развития всевозможных технологических приложений. С момента первых экспериментов по лазерной абляции полимеров теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия лазерного излучения с полимерными материалами стали важной и быстро развивающейся областью микро- и нанотехнологий. Важными достоинствами лазерной обработки материалов являются бесконтактность метода и возможность достижения высокой чистоты обрабатываемой. поверхности. При описании взаимодействия лазерного излучения с полимерами принципиальными факторами являются химическая природа деградации материала, сложный спектр поглощения излучения, возможность избирательного разрыва связей в полимерной цепи при одних режимах воздействия или же нерезонансное поглощение и тепловая деградация при других, возможность протекания сложных химических реакций взаимодействия продуктов абляции между собой и с окружающей атмосферой, эффекты экранирования падающего излучения. Эти особенности взаимодействия излучения с полимерами приводят к реализации принципиально новых эффектов при абляции, которые представляют самостоятельный фундаментальный интерес и могут быть использованы в новых технологических приложениях. Однако пока перечисленные процессы изучены далеко недостаточно. Существующие модели взаимодействия «излучение - полимер» можно условно разделить на 3 класса: фотохимические, фототермические и комбинированные, включающие особенности первых двух классов. Ключевая проблема моделирования заключается в сложности структуры и большом разнообразии полимерных материалов (ПМ), что ограничивает применимость тех или иных модельных представлений. Процессы, происходящие в облаке продуктов абляции ПМ при их взаимодействии с газовой средой, на настоящее время мало исследованы, а их модельные представления находятся на стадии разработки. Однако детальное понимание этих процессов исключительно важно для определения общих закономерностей процесса ИЛА ПМ и поиска новых эффективных режимов лазерной обработки полимеров.
Таким образом, актуальность изучения механизмов и динамики лазерной абляции полимеров определяется как потребностями фундаментальных исследований поведения вещества в сверхбыстрых процессах, так и многочисленными практически важными приложениями.
Целью работы является разработка моделей и численное исследование динамики процессов, протекающих при взаимодействии лазерного
излучения инфракрасного диапазона длин волн нано- и микросекундной длительности с органическими полимерными материалами на примере полиметилметакрилата (ПММА), являющегося одним из наиболее широко используемых материалов для изготовления микродеталей для оптических элементов, сенсорных и запоминающих устройств.
В соответствии с целью сформулированы следующие основные задачи:
моделирование тепловых процессов, происходящих при облучении ПММА импульсами лазера на свободных электронах (ЛСЭ, длина волны 150 мкм) и С02 лазера (длины волн 9,17 и 10,6 мкм) в режимах, характерных для лазерной обработки полимеров и напыления полимерных пленок;
исследование особенностей динамики абляции ПММА в широком диапазоне условий облучения, в частности, при варьировании начальной температуры образцов;
изучение энергобаланса лазерного излучения в режимах тепловой абляции ПММА;
исследование эффектов плазменного экранирования органических полимеров при их абляции в кислородсодержащей атмосфере.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
На основе фототермической модели абляции органических полимеров лазерным излучением ИК диапазона длин волн изучены особенности абляции ПММА импульсами С02 лазера (9,17 и 10,6 мкм) и ЛСЭ (150 мкм). Показано, что скорость и глубина абляции существенно зависят от начальной температуры образца. Продемонстрировано, что для моделирования процесса абляции ПММА излучением ЛСЭ импульсно-периодический режим облучения может быть описан в виде непрерывного воздействия при условии сохранения мощности лазерного излучения.
-
Выполнен анализ энергобаланса лазерного излучения, включая затраты на возбуждение колебательных степеней свободы испаренных молекул. Показана возможность полимеризации молекул метилметакрилата (ММА) при конденсации в потоке продуктов абляции (поликонденсации). Объяснен механизм возникновения двухпикового распределения по размерам наночастиц, формируемых при абляции ПММА импульсами С02 лазера.
-
Разработаны граничные условия на испаряемой поверхности для решения газодинамической задачи о расширении продуктов лазерной абляции. Данные фототермической модели использованы для описания течения в парах ММА при абляции ПММА импульсами С02 лазера в атмосфере азота.
-
Проведен сравнительный анализ лазерной абляции органических полимеров (на примере ПММА) и металлов (на примере меди), выявлены основные различия и характерные особенности. Показано, что процесс абляции полимеров происходит длительное время после окончания лазерного импульса, тогда как скорость испарения металлов следует форме импульса.
-
Разработана фотохимическая модель формирования плазмы ММА в присутствии кислорода в фоновом газе, и проведено моделирование абляции ПММА под действием С02 лазера с учетом экранирования излучения плазмой продуктов абляции для экспериментальных условий. Выделены три основных фактора, влияющих на ослабление лазерного излучения при абляции органических полимеров в воздухе: пробой воздуха, поглощение с возбуждением колебательных степеней свободы молекул пара, горение паров полимера.
-
Объяснен эффект формирования плазменной трубы при импульсной лазерной абляции органических полимеров в воздухе.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения ряда явлений, наблюдаемых при нано- и микросекундной лазерной абляции органических полимеров, более глубокого понимания процессов, происходящих при сверхбыстром нагреве веществ, оптимизации технологий лазерной обработки поверхностей полимерных мишеней и напыления полимерных пленок.
Достоверность. Достоверность полученных результатов определяется тем, что при построении разностных схем, аппроксимирующих модельные уравнения, использовались широко известные численные методы, проводилось обязательное тестирование компьютерных программ на известных задачах, тщательно исследовались сходимость и устойчивость численной схемы и пределы применимости моделей. Полученные результаты и выводы обосновываются сравнением с экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
-
Результаты численного моделирования абляции ПММА излучением лазера на свободных электронах (длина волны 150 мкм) и С02 лазера (9,17 мкм и 10,6 мкм);
-
Результаты расчетов энергобаланса лазерного излучения при лазерной абляции ПММА, включая затраты на возбуждение колебательных степеней свободы испаренных молекул ММА;
-
Фотохимическая модель формирования плазмы ММА в присутствии кислорода в фоновом газе;
-
Результаты анализа основных физико-химических процессов, влияющих на ослабление лазерного излучения при абляции органических полимеров в воздухе;
-
Объяснение эффекта формирования плазменной трубы при импульсной лазерной абляции органических полимеров в воздухе.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в отечественной и зарубежной научной печати и докладывались на семинарах ИТ СО РАН и на Всероссийских и Международных научных конференциях:
Всероссийская научная конференция студентов-физиков (2005, 2006,
2007 гг.);
Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.);
8th International Conference on Laser Ablation "COLA'05", Банфф, Канада (2005 г.);
Международная конференция «Atomic and Molecular Pulsed Lasers», Томск (2005,2009 гг.);
Всероссийская научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск (2006,
2008 гг.);
Всероссийская научная конференция «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии», Новосибирск (2007 г.);
International Conference: Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN-07), Санкт-Петербург (2007 г.);
Научная школа «Laser - Surface Interactions for New Materials Production. Tailoring Structure and Properties», Венеция, Италия (2008 г.);
Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск (2009 г.);
10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th CMM), Томск (2010 г.);
XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers, GCL, София, Болгария, (2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 20 публикациях, в том числе в 5 статьях в научных журналах и трудах конференций, одна из них - в российском журнале из списка ВАК, а также в 15 тезисах докладов на конференциях различного уровня.
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной
работе. Им разработаны компьютерные программы для численного моделирования импульсной лазерной абляции полимерного материала и металла, получены оригинальные результаты моделирования. Интерпретация полученных результатов проведена автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений с таблицами обозначений и используемых сокращений. Работа изложена на 101 странице, содержит 8 таблиц, включает библиографический список из 127 наименований, иллюстрирована 41 рисунком.
