close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102647

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бураков Игорь Михайлович
Т Е О Р Е Т И Ч Е С К О Е ИССЛЕДОВАНИЕ М Е Х А Н И З М О В И
ДИНАМИКИ Ф Е М Т О С Е К У Н Д Н О И ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ
01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Новосибирск - 2005
Работа выполнена в Институте
Сибирского отделения Р А Н
теплофизики
им.
С.С.
Кутателадзе
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
Булгакова Надежда Михайловна
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
профессор
Вшивков Виталий Андреевич
кандидат физико-математических наук
Хабахпашев Георгий Алексеевич
Ведущая организация:
Институт сильноточной электроники СО
Р А Н (г. Томск)
Защита состоится " 9
ноября
2005 г. в 11 час _00_ мин., на
заседании диссертационного совета К 003.053.01 по присуждению учёной
степени кандидата наук при Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО
Р А Н (630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 1)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики им. С.С.
Кутателадзе СО Р А Н
Автореферат разослан "_
Ученый секретарь
диссертационного совета
д. т. н., профессор
2005 г.
В.Н. Ярыгин
Z7Pf9
feT;;.
■:■•'.-'
л_г^-<3 ^ £.—
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКХ-РАБОТЫ - — —
Актуальность работы
Одним из наиболее перспективных направлений применения импульсной
лазерной
абляции
является
высокоточное
воспроизводимое
структурирование
материалов
ультракороткими
(фемтосекундными)
импульсами лазерного излучения. В настоящее время такие режимы абляции
теоретически изучены слабо. Из моделей, широко принятых и доказавших
свою достоверность можно назвать лишь двухтемпературную модель,
описывающую поглощение лазерного излучения свободными электронами в
металлах и последующую электрон-решеточную релаксацию. Теоретические
модели всех других процессов по-прежнему находятся на стадии разработки,
и очевидна необходимость теоретического исследования процессов,
происходящих при фемтосекундной лазерной абляции, для определения
общих закономерностей явлений, углубления представлений о поведении
вещества в условиях сверхбыстрого нагрева, использования в различных
технологических приложениях и поиска новых режимов импульсной
лазерной абляции.
Таким образом, актуальность изучения механизмов и динамики
ультракороткой лазерной абляции 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 лазерных импульсов
фемтосекундной длительности с различными материалами, что является
перспективным направлением физики взаимодействия лазерного излучения с
веществом, важным с точки зрения оптимизации существующих технологий
и развития технологий в ближайшем будущем.
Научная новизна
В диссертации получены следующие новые научные результаты:
1. На основе численного моделирования подтверждена гипотеза о
возможности формирования ударных волн разрежения при расширении
продуктов фемтосекундной лазерной абляции в вакуум, объясняющая
возникновение наблюдаемых разрывов плотности в расширяющемся
веществе.
2. Проведено численное моделирование динамики волн разрежения и
сжатия в веществе, находящемся в условиях, типичных для фемтосекундной
лазерной абляции с реализацией аномального состояния, на примере задачи о
распаде разрыва с анализом двух различных уравнений состояния. Впервые
показано, что для ряда веществ обе волны, разрежения и сжатия, могут
сохранять форму ударной волны длительное время после распада разрыва.
3. Численно исследован процесс нагрева металлических мишеней
фемтосекундными лазерными импульсами, и впервые проведен анализ
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
3
БИБЛИОТЕКА
«DifinUIClUt
II
С.Пега|#п>г(7<9 / !
•Э
Гэ^-^?^^/]
.1 I
-•"
ф
реализации
метастабильного
состояния
расплавленного
металла,
приводящего к фазовому взрыву. Выявлены пути реализации фазового
взрыва при различных режимах облучения.
4. Разработана двумерная модель, описывающая динамику возбуждения
электронов и нагрев решетки в диэлектриках, облучаемых фемтосекундными
импульсами лазерного излучения. Аналогов такой модели в настоящее время
не существует.
5. Впервые численно исследована динамика электронного возбуждения и
пробоя в прозрачных диэлектриках на примере сапфира и плавленого кварца
под действием последовательности идентичных лазерных импульсов с
различными временами задержки между ними. Выполнен анализ нагрева
вещества, и предсказана геометрия кратеров, хорошо согласующаяся с
экспериментальными данными.
6. Выявлено, что причиной структурирования кратеров на поверхности
плавленого кварца, наблюдаемого в экспериментах, является быстрая
рекомбинация электронов с образованием дефектов, что приводит к
формированию специфического распределения свободных электронов в
мишени и перераспределения поглощения излучения в объеме вещества.
Практическая ценность состоит в том, что полученные результаты могут
быть использованы для объяснения ряда явлений, наблюдаемых при
фемтосекундной лазерной абляции различных материалов, более глубокого
понимания процессов, происходящих при сверхбыстром нагреве веществ, и
оптимизации технологий лазерного микроструктурирования поверхностей
диэлектрических материалов.
Формирование ударных волн разрежения при абляции материалов
ультракороткими импульсами лазерного излучения открывает новые
возможности для исследований динамических критических явлений.
Моделирование возникновения и эволюции волн разрежения и сжатия с
отражением от преграды для различных уравнений состояния может дать
толчок развитию нового направления в гидродинамике.
Предложенный термодинамический анализ состояния вещества при
взаимодействии
ультракоротких
лазерных
импульсов
с
металлами
чрезвычайно важен для понимания одного из основных механизмов лазерной
абляции - фазового взрыва, определения оптимальных условий и разработки
методов контроля лазерной обработки материалов.
Большое значение для развития приложений фемтосекундной лазерной
абляции имеет разработанная двумерная модель, описывающая динамику
возбуждения электронов и нагрев решетки в диэлектриках, облучаемых
фемтосекундными импульсами лазерного излучения. Модель может быть
использована для развития методов высокоточной обработки материалов.
Результаты моделирования динамики носителей заряда под действием
лазерного излучения в диэлектриках имеют фундаментальное значение для
понимания физики процессов в твердом теле.
Достоверность полученных результатов моделирования определяется в
первую очередь хорошим согласованием с экспериментальными данными.
При разработке моделей проводилось обязательное тестирование методик
расчетов на известных задачах, исследовались рамки применимости моделей.
На защиту выносятся:
1. Проверка на основе численного моделирования гипотезы о
формировании ударных волн разрежения при расширении продуктов
абляции твердых материалов фемтосекундными лазерными импульсами в
вакуум, объясняюшей возникновение наблюдаемых разрывов плотности в
расширяющемся веществе. Описание динамики ударных волн разрежения
при расширении в вакуум ограниченного объема вещества, находящегося в
условиях типичных для фемтосекундной лазерной абляции.
2. Результаты численного моделирования динамики ударных волн
разрежения и сжатия в веществе, находящемся в условиях, типичных для
фемтосекундной лазерной
абляции, с
реализацией
аномального
термодинамического состояния на примере задачи о распаде разрыва в трубе
с анализом двух различных уравнений состояния (уравнения состояния Вандер-Ваальса и его трехпараметрической модификации, предложенной
Мартынюком); анализ роли абсолютной величины фундаментальной
газодинамической производной i^^p/dv^\, достижимой на аномальном
участке адиабаты для соответствующего уравнения состояния, в эволюции
волн разрежения и сжатия.
3. Результаты
численного
исследования
процессов
нагрева
металлических мишеней фемтосекундными лазерными импульсами;
термодинамический анализ реализации метастабильного
состояния
расплавленного металла как необходимого условия для возникновения
фазового взрыва; выявление дополнительных необходимых условий
реализации фазового взрыва при фемтосекундной лазерной абляции
металлов; численное исследование динамики нагрева тонких металлических
пленок фемтосекундными лазерными импульсами.
4. Двумерная модель, описывающая динамику возбуждения электронов и
нагрев решетки в диэлектриках, облучаемых последовательностями
фемтосекундных лазерных импульсов, в применении к проблеме
сверхточного микроструктурирования материалов. Аналогов такой модели в
настоящее время не существует.
5. Результаты численного исследования динамики электронного
возбуждения и пробоя в прозрачных диэлектриках на примере сапфира и
плавленого кварца под действием последовательности идентичных лазерных
импульсов с различными временами задержки между ними; исследование
взаимосвязи процессов многофотонной ионизации и формирования
популяции свободных электронов, поглощения энергии лазерного излучения
свободными электронами, развития процесса лавинной ионизации.
рекомбинации
свободных
электронов
в
связанные
состояния
с
формированием дефектов и электрон-решеточной релаксации.
6. Анализ термодинамического состояния изучаемых веществ при
нагреве импульсным лазерным излучением и методика предсказания
геометрии кратеров; выявление причины структурирования кратеров на
поверхности плавленого кварца, наблюдаемого в экспериментах.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в отечественной и
зарубежной научной печати и докладывались на семинарах ИТ СО Р А Н и на
Всероссийских и Международных научных конференциях:
X X X V I I I Международная научная студенческая конференция "Студент и
научно-технический прогресс", Новосибирск, 2000 г.;
V I Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 2000 г.;
X X X I X Международная научная студенческая конференция "Студент и
научно-технический прогресс", Новосибирск, 2001 г.;
V I I Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 23-26 апреля,
2002 г.;
High-Power Laser Ablation V , 25-30 April 2004, Taos, New Mexico, U S A ;
Fifth International Symposium on Laser Precision Microfabrication, May 11 - 14,
2004, Nara-Ken New Public Hall, Nara, Japan;
10th International Conference "Desoфtion 2004", Saint-Petersburg, August 29September 2, 2004;
The 6th International Symposium on Laser Precision Microfabrication - Science
and Applications, April 4-8, 2005, Williamsburg, V A , U S A ;
8th International Conference on Laser Ablation, September 11-16, 2005, Banff,
Canada;
V I I International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers", September
12-16,2005, Tomsk, Russia.
Публикации
По теме диссертации имеется 15 публикаций, в том числе 7 публикаций в
тезисах конференций, 2 публикации в трудах конференций и 6 публикаций в
рецензируемых журналах.
Л и ч н ы й вклад автора в работу состоит в разработке программ численного
моделирования и выполнении всех численных расчетов. Интерпретация
полученных результатов проведена автором совместно с научным
руководителем и соавторами по публикациям.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка
литературы.
Диссертация
изложена
на
117 страницах,
включает
библиографический список из 145 наименований, иллюстрирована 27
рисунками.
СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во Введении обосновывается актуальность работы, указывается цель и
новизна исследования, дается общая характеристика работы.
В Первой главе обсуждаются физические основы фемтосекундной
лазерной абляции, рассматриваются имеющиеся и потенциальные ее
применения в различных технологиях и научных исследованиях. Приводится
краткий обзор проблем, стоящих перед теорией фемтосекундной лазерной
абляции, обсуждаются трудности исследования тех или иных процессов, а
также формулируются проблемы, исследуемые в данной диссертационной
работе.
Во Второй главе проведена проверка гипотезы о возможности
формирования ударных волн разрежения при расширении продуктов
фемтосекундной
лазерной
абляции,
объясняющей
возникновение
наблюдаемых разрывов плотности в веществе, расширяющемся в вакуум;
представлены результаты исследования динамики волн разрежения и сжатия
после распада начального разрыва в веществе с параметрами, находящимися
в условиях типичных для фемтосекундной лазерной абляции, с анализом
двух различных уравнений состояния (уравнения состояния Ван-дер-Ваальса
и его трехпараметрической модификации, предложенной Мартынюком).
В параграфе 2.1 описываются данные экспериментов по испарению
твердых мишеней из различных материалов ультракороткими импульсами
лазерного излучения с использованием оптической микроскопии высокого
временного и пространственного разрешения ( К . Sokolowski-Tinten et al.,
Phys. Rev. Lett., 1998, Vol. 81, p. 224), где над поверхностями мишеней
наблюдалась система колец Ньютона. Отмечается универсальность этого
эффекта: кольца Ньютона наблюдаются для всех материалов в достаточно
узком интервале интенсивностеи лазерного импульса слегка выше порога
абляции. Возникновение этого явления подразумевает формирование
разрыва плотности в веществе, расширяющемся в вакууме. Рассматриваются
возможные механизмы формирования таких разрывов в продуктах абляции
при их расширении в вакууме. Приводится гипотеза (N.M. Bulgakova. Phys.
Rev. Е, 1999, Vol. 60, No. 4, p. R3498) о том, что одним из таких механизмов
может быть формирование ударной волны разрежения ( У В Р ) , предсказанной
Зельдовичем [ Ж Э Т Ф , 1946, т. 16, с. 363] для веществ вблизи критической
точки "жидкость - пар" при реализации условия {d^pldv^)s < 0. Впервые У В Р
была зарегистрирована экспериментально в Институте теплофизики СО Р А Н
[Ал.А. Борисов и др.. Письма в Ж Э Т Ф , 1980, т. 31, с. 619].
В параграфе 2.2 описано численное моделирование формирования и
эволюции ударных волн разрежения в слое вещества, расширяющегося в
вакуум. В п. 2.2.1 содержится описание модели. Рассматривается тонкий
плоский слой твердой мишени, мгновенно нагретый до температуры,
превышающей
термодинамическую
критическую
температуру.
Предположение о мгновенном нагреве и одномерный подход анализируются
с точки зрения параметров и механизмов взаимодействия лазерного
излучения с веществом и на основе оценок продольного и поперечного чисел
Кнудсена. Решается задача о свободном расширении нагретого слоя в
вакууме. Расширение вещества описывается недиссипативной системой
уравнений сохранения массы, импульса и энергии для сжимаемой жидкости
(система уравнений Эйлера) дня плоского случая. Система уравнений
дополняется уравнением состояния Ван-дер-Ваальса и калорическим
уравнением
ip + ^)iv-b)
V
= T^ e = cj--V
в п. 2.2.2 определяется область существования ударных волн разрежения
(аномальная область) для веществ, описываемых уравнением состояния Вандер-Ваальса, т.е. область, где (Э^р/Эг^)^ < 0 . Описывается выбор
начальных условий для моделирования.
В п. 2.2.3 приводятся результаты моделирования формирования и
эволюции
ударной
волны
разрежения
при быстром
расширении
сверхкритического вещества в вакуум. Моделирование выполнено для
расширения вещества вдоль нормальной и аномальной (проходящей через
аномальную область) адиабат. На начальной стадии расширения на границе
продуктов абляции с вакуумом происходит быстрое разрежение, причем в
случае расширения вещества вдоль аномальной адиабаты формируется более
крутой профиль плотности с У В Р (участок В С на Рис. 1а). В случае
формирования ударной волны разрежения скорость испытывает резкий
скачок (Рис. lb). После отражения У В Р от неиспаренного слоя мишени в
расширяющемся веществе образуется тонкий плотный слой, движущийся от
поверхности мишени (Рис. 1с). Оценки показывают, что такой слой
формируется спустя -100 пс после начала расширения вещества и
существует в течение нескольких наносекунд, что находится в согласии с
наблюдениями. Профиль скорости также сохраняет следы У В Р (Рис. Id). При
дальнейшем расширении постепенно происходит сглаживание профилей
плотности и скорости (Рис. 1е и f). При расширении вещества вдоль
нормальной адиабаты профили параметров не имеют особенностей
(штриховые кривые на Рис. 1). Таким образом, показано, что при расширении
вещества, испаренного с твердой мишени в вакууме, могут быть обеспечены
условия для формирования в газовой фазе тонкого плотного слоя,
движущегося от мишени. Этот слой формируется с некоторой задержкой
относительно начала расширения, существует ограниченный период времени
и может являться убедительной причиной, объясняющей возникновение
интерференционных колец, наблюдаемых в экспериментах. Другим
аргументом, подтверждающим гипотезу, является тот факт, что ударные
волны разрежения могут формироваться только в узком диапазоне
интенсивностей лазерного импульса вблизи порога абляции, как и
8
0)
Рис.
1.
Эволюция
профилей
плотности
(слева) и скорости (справа)
в расширяющемся слое
паров вдоль нормали к
поверхности мишени, с
05 которой
произошло
испарение
Сплошные
линии
соответствуют
расширению
вдоль
аномальной адиабаты с
cjR^AQ,
TJT^^ 1,01
и Пд/п^ =1,1; штриховые
линии
соответствуют
расширению
вдоль
нормальной адиабаты с
начальными
условиями:
cjR = 40, Го/Г, =1,1 и
и„ /п^ = 1,1
в
моменты
времени t/t = 1,5 (a,b), 4
(c,d)
и
7,5
(e,f),
где
t = Lo^M/T, .
наблюдаемые кольца Ньютона.
Результаты
моделирования
для
различных
начальных
условий
продемонстрировали, что могут реализоваться два сценария расширения: (1)
для начальной плотности близкой к критической и (2) для более высокой
начальной плотности, близкой к плотности твердого тела. По первому
сценарию У В Р , формирующаяся при расширении парового слоя, движется к
стенке, после чего отражается от нее, и в веществе формируется тонкий
плотный слой, движущийся по направлению от стенки (Рис. 1). По второму
сценарию У В Р движется от стенки с момента формирования. Далее У В Р
останавливается на некоторое время и затем возвращается к стенке с
дальнейшим отражением от нее, сглаживаясь со временем. Отмечено, что
возможны, видимо, и другие сценарии, что требует дальнейшего
исследования.
В п. 2.2.4 рассматриваются возможности формирования ударных волн
разрежения в других системах. На основе анализа литературных данных
предполагается, что явление У В Р не является уникальным, а может
9
проявлять себя не только вблизи термодинамической критической точки, но
также в самых различных системах. Подчеркивается, что эффект У В Р не
является исключительно следствием применения классического уравнения
Ван-дер-Ваальса.
В параграфе 2.3 представлено численное исследование формирования и
динамики ударных волн разрежения и сжатия при распаде разрыва в трубе с
использованием двух уравнений состояния: уравнения состояния Ван-дерВаальса
и
его
трехпараметрической
модификации,
предложенной
Мартынюком. В п. 2.3.1 содержится описание модели. Рассматривается
вещество, находящееся в длинной трубе с большим диаметром, так что его
можно рассматривать как ограниченное двумя бесконечными пластинами.
Вещество нагрето до достижения состояния в аномальной зоне, т.е. в
области, где (Э^/з/ЭК^), < 0 , вне двухфазной области. Вещество разделено
мембраной на две равные области при различном давлении (в зависимости от
постановки задачи), но таким образом, чтобы параметры вещества не
попадали в двухфазную область. Считается, что в начальный момент времени
мембрана мгновенно рвется, и решается задача о распаде разрыва с
последующей его эволюцией, отражением волн разрежения и сжатия от
стенок и взаимодействием между собой. Модель, как и в случае расширения
парового облака в вакуум, строится на основе уравнений Эйлера, решаемых в
лагранжевых массовых переменных. Система дополняется либо уравнением
состояния Ван-дер-Ваальса с соответствующим калорическим уравнением
(1), либо уравнением состояния Мартынюка
и
соответствующим
калорическим уравнением:
р=
Т а ,
v-Z>,
^
-' е=сТ—,
V"'
а,
!^—г
(OT-1)V"'-'
/^^
^^^
с параметрами а^,Ьу и от, зависящими от индивидуальных свойств веществ.
В
п. 2.3.2
определяются
области, где
(э^р/ЭК^Ь<0,
для веществ,
описываемых уравнением состояния Мартынюка (процедура определения
аномальной области для уравнения состояния Ван-дер-Ваальса описано в
п.2.2.2); приведены начальные условия для моделирования.
В п. 2.3.3 представлены результаты численного моделирования динамики
волн разрежения и сжатия в трубе, ограниченной непроницаемыми стенками.
Моделирование выполнено для расширения вещества вдоль нормальной и
аномальной адиабат для уравнения состояния Мартынюка (Рис. 2а) и
уравнения состояния Ван-дер-Ваальса (Рис. 2Ь). Изначально в левой части
трубы давление было выше, поэтому волна разрежения (для обоих уравнений
состояния), приобретая форму ударной, движется к левой стенке (верхние
графики, направления движения волн указаны стрелками на рисунках), а
волна сжатия движется к правой стенке. Форма фронта волны сжатия на
данные моменты близка к форме фронта У В Р , вертикальной штриховой
линией указано положение начального разрыва. Нижние графики на Рис. 2
10
j ^ 0.96
'^ 0.92
tv
- -1
1
1T
1
^
0.96
0.92
■
0.2
,
\Ч-
9.6т
t
(a)
.
1
.
0.4
0.6
X/Lo
0.8
1
л,..0
Piic. 2. Профили давления в трубе для уравнения состояния Мартынюка (а) и
классического уравнения состояния Ван-дер-Ваальса (Ь) в случае эволюции
параметров вещества вдоль аномальных адиабат. Координаты x/Lg = О и \
соответствуют положению боковых стенок трубы. Направления движения волн
указаны стрелками. Верхние графики приведены на моменты времени до
отражения волн от боковых стенок трубы, нижние графики соответствуют
моментам времени после двойного отражения волн от боковых стенок трубы.
представляют собой профили давления на моменты, когда обе волны успели
дважды отразиться от стенок. К этому моменту У В Р снова движется к левой
стенке, а волна сжатия - к правой. Разность во времени, затраченном на
прохождение одинакового расстояния в веществах с разными уравнениями
состояния, объясняется разницей в наклонах аномальных участков адиабат,
характеризующих скорость звука в среде и, следовательно, скорость волны.
Ощутимой становится разница в поведении волн разрежения в веществах,
описываемых разными уравнениями состояния. В веществах, описываемых
уравнением состояния Мартынюка, и эволюционирующих вдоль адиабат,
проходящих через соответствующие аномальные области, волны разрежения
и сжатия проявляют свойства, присущие ударным волнам, хотя и
наблюдается небольщое их ущирение (нижний график на Рис. 2а). В
веществах же, описываемых классическим уравнением состояния Ван-дерВаальса и имеющих параметры в соответствующих аномальных областях,
фронт У В Р остается резким, а волна сжатия расплывается по мере
распространения (нижний график на Рис. 2Ь). Показывается, что фактором,
определяющим форму волн разрежения и сжатия в веществах с аномальными
свойствами,
является
абсолютная
величина
фундаментальной
газодинамической производной \^^p/dv^\, максимально достижимая на
аномальном участке адиабаты, описываемой соответствующим уравнением
состояния. Расчеты, проведенные для вещества, эволюционирующего вдоль
соответствующих нормальных адиабат, продемонстрировали классическое
поведение волн разрежения и сжатия для обоих уравнений состояния. В
11
параграфе 2.4 приведены выводы по результатам моделирования и
заключительные замечания к главе.
В Третьей главе представлено численное исследование процессов нагрева
металлических мишеней и тонких пленок фемтосекундными импульсами
лазерного излучения с анализом возможности реализации фазового взрыва
(взрывного вскипания). В параграфе 3.1 отмечается, что при облучении
металлических мишеней наносекундными лазерными импульсами умеренной
интенсивности развивается нормальное испарение расплавленного металла, а
с повышением интенсивности (при достижении некоторого порогового
значения) происходит переход к фазовому взрыву ( N . M . Bulgakova, A.V.
Bulgakov. Appl. Phys. A, 73, 2001, p. 199). При пороговых интенсивностях за
счет совместного действия экранировки части импульса плазмой лазерного
факела, охлаждения поверхности мишени вследствие развитого испарения и
отвода тепла вглубь от поверхности мишени за счет теплопроводности,
температура подповерхностных жидких слоев вещества мишени может
оказаться заметно выше температуры поверхности. Такой перегретый слой
оказывается в метастабильном состоянии, что в свою очередь приводит к
реализации взрывного вскипания. Отмечается также, что механизм фазового
взрыва при облучении металлических
мишеней
фемтосекундными
лазерными импульсами не совсем ясен, т.к. отсутствует процесс экранировки
излучения плазмой факела, а отвод тепла вглубь мишени на временах
действия лазерного импульса также пренебрежимо мал. Поэтому изучение
режимов нагрева вещества ультракороткими лазерными импульсами является
важным с точки зрения понимания физики критических явлений.
В параграфе 3.2 дано описание динамики нагрева металлических мишеней
фемтосекундными лазерными импульсами, и представлена качественная
модель реализации фазового взрыва. В основе предлагаемой модели лежит
предположение о том, что после нагрева вещество мишени можно условно
разделить на три слоя: внешний - область, нагретая выше критической
температуры (паровой слой); промежуточный - область с температурой от
критической до температуры плавления (жидкий слой) и внутренний твердый слой. При расширении парового слоя происходит резкое падение
давления, в результате чего жидкий слой, если он не успевает остыть и
затвердеть за время падения давления, может оказаться в метастабильном
состоянии, что может привести к фазовому взрыву. В случае недофева
вещества до критической точки в вакууме, расплавленный (теперь внешний)
слой также оказывается в метастабильном состоянии, и реализация фазового
взрыва зависит от соотношения скоростей гомогенной нуклеации жидкой
фазы и остывания и затвердевания металла.
В параграфе 3.3 на основе положений теории метастабильной жидкости
приведено качественное описание поведения вещества, быстро нагретого в
околокритическую область:
12
- быстро нагретая жидкость может оказаться перегретой, т.е. ее
температура может превысить температуру кипения при данном давлении
над поверхностью жидкости. В таком случае состояние системы сдвигается с
бинодали в область метастабильных состояний.
- система стремиться к равновесному состоянию, что реализуется в ее
возвращении на бинодаль через взрывное вскипание.
- без внешнего воздействия метастабильное состояние металлов способно
существовать долго [В.П. Скрипов. Метастабильная жидкость. М.: Наука,
1972]. Внешнее воздействие (например, лазерный импульс) может послужить
причиной взрывного вскипания.
В парафафе 3.4 представлена тепловая модель фемтосекундной лазерной
абляции металлов. В п. 3.4.1 дано описание модели нагрева и испарения
металлических мишеней ультракороткими лазерными импульсами. Модель
включает три системы уравнений для разных временных масштабов и
условий абляции. Первая система уравнений - двухтемпературная модель,
описывающая процессы поглощения лазерного излучения электронами
проводимости вещества и электрон-решеточной релаксации. Здесь впервые
добавлено описание динамики границы раздела жидкой и твердой фаз по
аналогии с описанием наносекундной лазерной абляции [ С П . Жвавый, Г.Д.
Ивлев. Инж.-Физ.Ж., 1996, том 69, № 5 , с. 790]. Дальнейшая эволюция
вещества мишени описывается уравнением теплопроводности и, если
температура внешнего слоя мишени превышает критическую, уравнениями
Эйлера, описывающими динамику расширения парового слоя в вакууме.
Давление насыщенных паров под поверхностью расплава рассчитывалось по
уравнению Клапейрона-Клаузиуса Расчеты проводились для мишеней из
золота в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. В п. 3.4.2.
приведены начальные и граничные условия, использованные в расчетах на
всех этапах моделирования.
В п. 3.4.3 представлены результаты численного моделирования процесса
нагрева мишени из золота лазерными импульсами фемтосекундной
длительности в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. На
Рис. 3 представлен случай, когда порог абляции не достигнут, и происходит
частичное проплавление вещества мишени. Степень перегрева в данном
случае невелика. Максимум его достигается к моменту выравнивания
температур электронов и решетки, после чего давление насыщения падает
экспоненциально с понижением температуры поверхности, так что
вероятность реализации фазового взрыва мала. Тем не менее, облучение
мишени вторым лазерным импульсом (также с интенсивностью ниже
пороговой) с такой задержкой относительно первого импульса, когда жидкий
слой находится в метастабильном состоянии, может послужить причиной
фазового взрыва (N.M. Bulgakova, I.M. Bourakov. Appl. Surf. Sci., 2002, Vol.
197-198, p. 44). Отмечается, что, скорее всего, именно этот эффект
наблюдался в экспериментах по облучению различных металлов двумя
13
120
120
w
80
Q.
900
S. 80
Q. 40
0
1
40 •
1
У'^чЗ
с
2
()
04
0.2
600
^
Е
с:
t(ns)
X
300
\
4
t(ns )
6
8
10
Рис 3. Толщина расплавленного слоя (пунктирная линия 1) и давление насыщения,
рассчитанное по температуре поверхности (сплошная линия), в зависимости от
времени после облучения мишени из золота лазерным импульсом длительностью 200
фс и интенсивностью 0,55 Дж/см^. На вставке показан пик профиля давления
насыщения в увеличенном виде. Штрих-пунктирными линиями приведены толщины
слоев, перефетых относительно внешнего давления р^ в камере абляции: р. = 0,1
Па (линия 2) и 1 Па (линия 3).
последовательными фемтосекундными импульсами с различными временами
задержек между ними (V. Schmidt, W. Husinsky, G. Betz. Phys. Rev. Lett, 2000, Vol. 85,
No. 16, p. 3516). Ha Рис. 4 представлены результаты моделирования в случае
облучения мишени сверхпороговыми лазерными импульсами. Происходит
нагрев тонкого слоя вещества до сверхкритической температуры, и далее
этот слой начинает свободно расширяться в вакуум. Давление паров над
расплавом быстро падает в процессе адиабатического расширения в вакуум и
в
определенный
момент
становится
ниже
давления
насыщения,
рассчитанного по температуре расплава. Таким образом, расплав оказывается
в метастабильном состоянии. Предполагается, что в этом случае в качестве
внешнего воздействия может служить давление отдачи расширяющегося
парового облака, и отмечается, что подобные условия могли реализоваться в
экспериментах по облучению металлических мишеней одиночными
мощными фемтосекундными импульсами (К. Furusawa, К. Takahashi, Н. Kumagai,
К. Midorikawa, М. ОЬага. Appl. Phys. А, 1999, Vol. 69, No. 7, p. S359). Также
представлены результаты моделирования процесса нагрева тонких
металлических пленок. Показано, что для пленки возможно достичь порога
абляции при гораздо меньших, чем для массивной мишени, интенсивностях.
Это связанно с тем, что отвод тепла из пятна облучения в поперечном
направлении осуществляется достаточно медленно по сравнению с
временами электрон-решеточной релаксации. В параграфе 3.6 приведены
основные выводы по результатам моделирования.
14
1Е+009
CD
о.
1E+008
1E+007
0.2
0.3
0.5
t(ns)
Рис. 4. Профили давления насыщения (штрихованная линия), рассчитанного по
температуре поверхности ''жидкость - пар", и давления в паровом облаке
непосредственно над поверхностью расплава (сплошная линия) в зависимости от
времени. Режим соответствует облучению мишени из золота лазерным импульсом
длительностью 200 фс и интенсивностью 1,65 Дж/см^.
Четвертая глава посвящена исследованию возможности структурирования
прозрачных
диэлектриков
под
действием
последовательностей
фемтосекундных лазерных импульсов с варьируемыми временами задержки
между
импульсами. Численно исследована динамика электронного
возбуждения и пробоя в мишенях из сапфира и плавленого кварца под
действием последовательности из трех идентичных лазерных импульсов с
различными временами задержки между импульсами. В параграфе 4.1
отмечены особенности процесса абляции диэлектриков и преимущества
использования фемтосекундных лазерных импульсов. Отмечается, что
облучение материалов последовательностями ультракоротких лазерных
импульсов может позволить доставлять энергию излучения в мишень
порциями синхронно с некоторыми характерными откликами вещества
мишени. Так при облучении диэлектриков процесс доставки энергии
последовательными порциями может стимулировать подготовку поверхности
и некоторое размягчение материала в течение начальных этапов облучения,
изменяя, таким
образом, количество
энергии,
поглощенной
при
последующем облучении. В результате это может привести к снижению
механических напряжений и дать в результате более чистые и правильные
структуры на поверхности, а также предоставить зависимую от конкретного
материала возможность оптимизации процесса абляции. Упоминаются
эксперименты по фемтосекундной лазерной абляции диэлектриков, где
продемонстрирована
возможность
пространственного
модулирования
структур
при
облучении
мишеней
из
плавленого
кварца
последовательностями ультракоротких лазерных импульсов в зависимости от
15
времени задержки между импульсами, тогда как при облучении сапфира
модуляций не обнаружено (R. Stoian, М. Boyle, А. Thoss, А. Rosenfeld, G.
Когп, I.V. Hertel. Appl. Phys. А, 2003, Vol. 77, p. 265). Авторами
экспериментов было выдвинуто предположение, что различная электронная
динамика этих материалов является причиной такого различного характера
процессов абляции мишеней из сапфира и плавленого кварца.
В
параграфе 4.2 представлено детальное описание
механизма
фемтосекундной лазерной абляции диэлектриков, и описана двумерная
модель, основанная на диффузионно-дрейфовом приближении, развитом для
описания динамики носителей заряда в различных материалах под действием
фемтосекундных лазерных импульсов (N.M. Bulgakova, R. Stoian, А.
Rosenfeld, I.V. Hertel, E.E.B. Campbell. Phys. Rev. B, 2004, Vol. 69, 054102).
Модель включает уравнения непрерывности для свободных электронов,
ионов и дефектов, которые учитывают генерацию свободных носителей
заряда за счет многофотонной и лавинной ионизации и захват электронов в
связанные состояния с генерацией дефектов; уравнение, задающее форму
лазерного импульса; уравнение, описывающее распространение лазерного
импульса в веществе. Динамика коэффициентов поглощения и отражения
рассчитывается по модели Друда через комплексную диэлектрическую
проницаемость; обмен энергией между электронной и решеточной
подсистемами и нагрев решетки рассчитываются с помощью уравнений
теплопроводности
в
двухтемпературном
представлении;
энергия
электронного газа рассчитывается с учетом многофотонной ионизации,
лавинной ионизации, поглощения излучения на свободных электронах и
захвата электронов в связанные состояния. Приведены также значения
основных констант, используемых в расчетах, и описаны граничные условия.
В параграфе 4.3 представлены результаты моделирования процесса
облучения
диэлектрических
мишеней
последовательностями
фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что при облучении
мишеней из сапфира и плавленого кварца тремя последовательными
импульсами длительностью 100 фс и временем задержки между ними 1 пс
изолинии температуры решетки сапфира имеют гладкую овальную форму
(Рис. 5а). В случае мишеней из плавленого кварца (Рис. 5Ь) наблюдается
модуляция изолиний температуры решетки с формированием углубления в
центре пятна облучения, имеющая общие черты с формой кратера,
наблюдаемой в экспериментах. В случае малых задержек между импульсами
(сотни фемтосекунд) кратеры, полученные на поверхностях мишеней из
обоих материалов, имели правильную форму без следов модуляции.
Причины модуляции становятся понятными из анализа Рис. 6, где
представлены картины изолиний плотности свободных электронов для
случаев, представленных на Рис. 5. В сапфире из-за медленной электронной
динамики максимум плотности электронов формируется в центре пятна
облучения в поверхностном слое мишени. Именно здесь происходит
16
1
1
1
(а).
15
\
10
5
1
1
1
о
1, ,
ill 1
1
1
1м 11-»' о ^ ^
0 02
0.04
0 06
0.08
о
001
002
0.03
0.04
005
006
2,цт
0 1
2,цт
0 02 0 04 0 06 0 08
0.1
2,цт
Рис. 5. Изолинии температуры
решетки на момент времени 3 пс,
полученные для мишеней из сапфира
(а)
и плавленого кварца (Ь),
облученных последовательностью из
трех
лазерных
импульсов
длительностью 100 фс каждый и
временем задержки между ними 1 пс
(общая
интенсивность
последовательности
14 Дж/см^).
Время отсчитано от максимума
первого импульса. Значения уровней
температуры даны в эВ.
0.15
02
'2,цт
Рис.
6.
Изолинии
плотностей
электронов в зоне проводимости в
мишенях из сапфира (а) и плавленого
кварца (Ь) для тех же условия
облучения, что и на Рис. 5 на момент
времени 2,2 пс после максимума
первого
импульса
последовательности.
Значения
плотности электронов даны в м"'
17
основное поглощение энергии излучения и последующий нагрев решетки,
что и приводит к кратерам практически идеальной формы. Для плавленого
кварца в случае задержек между импульсами порядка 1 пс и более максимум
электронной плотности на поверхности формируется на периферии пятна
облучения, приобретая форму кольца, в то время как в центре пятна
облучения максимум плотности электронов смещен вглубь мишени. Таким
образом, на поверхности облучаемой мишени поглощение энергии третьего
импульса происходит по периферии пятна в то время, как в центре пятна
излучение проникает глубже, формируя, таким образом, структурированную
форму кратера.
В параграфе 4.4 представлены основные выводы и заключительные
замечания к четвертой главе.
В Заключении приведены основные результаты, выносимые на защиту;
дан перечень организаций и конференций, где была проведена апробация
результатов диссертационной работы; обсуждается практическая ценность
работы.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в
следующем:
1. На основе численного моделирования подтверждена гипотеза о
формировании ударных волн разрежения при расширении продуктов
абляции
фемтосекундными
лазерными
импульсами,
объясняющая
возникновение интерференционной картины над поверхностью мишени.
2. Проведено численное моделирование динамики волн разрежения и
сжатия в веществе, находящемся в условиях типичных для фемтосекундной
лазерной абляции, на примере задачи о распаде разрывов с анализом двух
различных уравнений состояния: классического уравнения состояния Вандер-Ваальса и уравнения состояния Мартынюка. Показано, что при
использовании уравнения состояния Мартынюка в веществе, находящемся в
аномальной, области обе волны, сжатия и разрежения, имеют форму ударных
волн.
3 Численно исследован процесс нагрева металлических мишеней
фемтосекундными лазерными импульсами с анализом возможности
реализации метастабильного состояния расплава. Выявлено, что в широком
диапазоне интенсивностей лазерного импульса облучаемое вещество
попадает в область метастабильных состояний, вследствие чего происходит
абляция вещества посредством взрывного вскипания (фазового взрыва).
4. Разработана
двумерная
модель,
описывающая
динамику
возбуждения электронов и нагрев решетки в диэлектриках, облучаемых
фемтосекундными импульсами лазерного излучения, в применении к
проблеме сверхточного микроструктурирования материалов. Аналогов такой
модели в настоящее время не существует.
18
5. Впервые численно исследована динамика электронного возбуждения
и пробоя в прозрачных диэлектриках на примере сапфира и плавленого
кварца под действием последовательности из трех идентичных лазерных
импульсов с различными временами задержки между ними. Расчетные
профили температур хорошо согласуются с экспериментальными данными
по геометрии кратеров.
6. Выявлено, что причиной структурирования кратеров на поверхности
плавленого кварца является быстрая рекомбинация электронов с генерацией
дефектов, что приводит к формированию специфического распределения
свободных электронов в мишени и перераспределению поглошения
излучения в объеме вещества.
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
1.
1. И.М. Бураков. Моделирование ударной волны разрежения при
импульсном лазерном лазерном испарении твердых материалов. Материалы
XXXVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и
научно-технический прогресс»' Физика, часть 2, Новосибирск, 2000, с. 45-46.
2.
И. М. Бураков. О возможности формирования ударной волны
разрежения при лазерном испарении твердых мишеней. Тезисы докпадов VI
Всероссийской
конференуии моподых ученых «Актуальные
вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2000, с. 100.
3. И.
М.
Бураков.
Нагрев,
плавление,
испарение
металлов
фемтосекундными лазерными импульсами: термодинамика и газодинамика.
Материапы XXXIX Международной научной студенческой конференции
«Студент и научно-технический прогресс»' Физика, Новосибирск, 2001 с.
149-150.
4. И.
М.
Бураков.
Численное
исследование
нагрева
металлов
фемтосекундными лазерными импульсами: условия реализации фазового
взрыва. Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых ученых
«Актуальные
вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»,
Новосибирск, 2002, с. 137-138.
5. N.M. Bulgakova, I.M. Bourakov. Phase explosion under ultrashort pulsed
laser ablation: Modeling with analysis of metastable state of melt. Abstracts of 6th
Int. Conf. On Laser Ablation, October 1-5, 2001, Tsukuba, Japan, p. 8.
6. N.M. Bulgakova, A.V. Bulgakov, I.M. Bourakov, N.A. Bulgakova. Pulsed
laser ablation of solids and critical phenomena. Abstracts of 6th Int Conf On
Laser Ablation, October 1-5, 2001, Tsukuba, Japan, p. 158.
7. R. Stoian, A. Mermillod-Blondin, A. Rosenfeld, I.V. Hertel, M. Spyridaki, E.
Koudoumas, С Fotakis, I.M. Burakov, N.M. Bulgakova. Adaptive optimization in
ultrafast laser material processing (Plenary Paper). Proceedings of SPIE, HighPower Laser Ablation V, Editor(s): Claude R. Phipps, Vol. 5448, p. 73-83, 2004.
19
8.
»205o3
R. Stoian, A. Mermillod-Blondin, S. Winkler, A. Rosenfeld, I.V. Hertel, M.
Spyridaki, E. Koudoumas, C. Fotakis, l.M. Burakov, N.M. BiilcaVm/o т »
pulse manipulation and adaptive optim'
materials. Proceedings ofSPIE, Fifth Inte
Microfabrication, Editor(s): I. Miyamoto,
p u t ; PvcCKHli АоНД
A. Ostendorf, K. Sugioka, Vol. 5662, pp. t
^^°
^^
^
•
9. l.M. Burakov, N.M. Bulgakova, I
f^f\r\il Л
Theoretical study of materal modificatioi
2vHJO~_L
pulses. Scientific program and Abstracts
^^с^гГ'^
"Desorption 2004", Saint-Petersburg, Aug
2 2 o J
2
10. N. M. Bulgakova, I. M. Bourakov, N.
Formation under short pulse laser ablation
. ..,_,... ^^ск r,, voi. Ы, Paper
046311(2001).
11. N.M. Bulgakova, l.M. Bourakov. Phase explosion under ultrashort pulsed
laser ablation: Modeling with analysis of metastable state of melt. Appl Surf Sci.,
Vol. 197-198, p. 96-99 (2002).
12. N.M. Bulgakova, A.V. Bulgakov, l.M. Bourakov, N.A. Bulgakova. Pulsed
laser ablation of solids and critical phenomena. Appl. Surf Sci., Vol. 197-198, p.
41-44(2002).
13. N.M. Bulgakova, l.M. Burakov. Nonlinear hydrodynamic waves: Effect of the
equation of state. Phys. Rev. E, Vol. 70(3), Paper 036303 (2004).
14. R. Stoian, A. Mermillod-Blondin, S. W . Winkler, A. Rosenfeld, I. V. Hertel,
M. Spyridaki, E. Koudoumas, P. Tzanetakis, С Fotakis, I. M . Burakov, N. M.
Bulgakova. Temporal pulse manipulation and consequencesfor ultrafast laser
processing of materials Optical Engineering, Vol. 44(5), Paper 051106 (2005).
15. l.M. Burakov, N.M. Bulgakova, R. Stoian, A. Rosenfeld, I.V. Hertel.
Theoretical investigations of material modification using temporally shaped
femtosecond laser pulses./ip;?/ Phys ^, (2005)DOI: 10.1007/s00339-005-3320-3.
Подписано к печати 28 сентября 2005 г Заказ № 147
Формат 60/84/16. Объем 1 уч -изд л Тираж 110 экз
Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН
630090, Новосибирск, пр Акад Лаврентьева, 1
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
953 Кб
Теги
bd000102647
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа