Диссертация (1102719), страница 6
Текст из файла (страница 6)
«Вытянутость»канала характеризуется величиной аспектного соотношения А, которая равна отношениюглубины микроканала к его входному диаметру и которые растут с ростом числа импульсов[79]. Формирование глубоких микроканалов (A 1) связано с высокими темпами абляции,которые достигают нескольких микрон за импульс. При этом различия между металлами идиэлектриками в механизмах поглощения лазерной энергии и ее релаксации становятся1Shaheen M.E., Gagnon J. E., Fryer B. J. Femtosecond laser ablation behavior of gold, crystalline silicon, and fused silica:a comparative study // Laser Phys.
– 2014. –Vol. 24. – P. 106102.22несущественными. Скорость абляции и диаметр микроканала являются величинами, которыезависят нелинейно от глубины канала [80].В режиме высоких плотностей энергии фемтосекундного лазерного излучения вокругкратера формируются застывшие капли расплавленного материала мишени и “корона”. В силуэтого использование фемтосекундных лазерных импульсов в режиме большой плотностиэнергии не дает особых преимуществ в точности и качестве микрообработки материалов посравнению с длинными импульсами [72, 81], но тем не менее остается эффективным методомполучения глубоких микроканалов при многоимпульсном лазерном воздействии в одну точкумишени.
Такие каналы могут быть различной формы, в зависимости от ряда параметров(например, от режима фокусировки и частоты воздействия или наличия атмосферы) [82, 83], ииметь разную морфологию на дне и стенках, где могут образовываться вышеописанныепериодические структуры [84, 85]. Как правило, микроканалы имеют конусообразную (иногдацилиндрическую) форму и проявляют свойства волновода [85].В литературе приводятсяданные о возрастании эффективности взаимодействия лазерного излучения наносекунднойдлительности (I~1010 Вт/см2) в таких каналах в мишени (при аспектном соотношении А=2-4),находящейся в воздухе.
Это отражается, например, в увеличении интенсивности светимостиионов и температуры лазерной плазмы мишени, увеличении концентрации электронов плазмывоздуха в канале в 3 раза по сравнению с режимом облучения гладкой мишени [86]. Дляинтенсивного (I~1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения, взаимодействующего стакими микроканалами, нашей научной группой было зарегистрировано увеличение выходажесткого рентгеновского излучения [87–89], а ранее оно наблюдалось и для кратеров2.
Так каквыход рентгеновского излучения непосредственно связан с интенсивностью воздействующегоизлучения (см. формулу 1.7), возрастание сигнала рентгеновского излучения можетопределятьсявозрастаниемэффективнойинтенсивностилазерногоизлучения,из-задополнительной его концентрации («фокусировки») внутри конического микроканала [88]. В[90] было показано, что степень возрастания температуры плазмы внутри микроканала зависитсущественно от его аспектного соотношения.1.1.4 Генерация наночастиц и микрочастиц при лазерной абляции в одно- имногоимпульсном режимахПосле окончания воздействия фемтосекундного лазерного импульса, для плазмыхарактерно гидродинамическое расширение, в результате чего над мишенью образуется облако2Gavrilov S.A.,Golishnikov, Gordienko V.M., Savel’ev A.B., Volkov R.V.
Efficient hard X-ray source using femtosecondplasma at solid targets with a modified surface // Laser and Particle Beams. – 2004. – Vol. 22. – P. 301–306.23[91], которое может содержать микро- и наночастицы мишени (кластеры) [92, 93]. Наличиекластеров наблюдается как в случае, если мишень находится в воздухе, так и в случае если онанаходится в вакууме [92]. Кластеры формируются в результате инициирования ряда процессов:конденсации в расширяющемся облаке [94], фазового взрыва, гидродинамического распыления,фотомеханических эффектов, отколов. Общая картина, описывающая динамику и механизмформирования кластеров достаточно запутанна и порой противоречива: так, в [95] сообщается,что при фемтосекундном лазерном воздействии, формирование нанокластеров происходит ужечерез 50 пс после окончания лазерного импульса (J=12 Дж/см2) из-за неравновесного фазовогоперехода; с другой стороны, в [94] приведен подробный анализ формирования кластеров приконденсации аблированной массы, для чего потребуются гораздо большие времена.
Наиболееэффективно нанокластеры образуются при интенсивностях фемтосекундного (τ≈100 фс)лазерного импульса 1012-1014 Вт/см2 (это соответствует плотностям энергии 0,1-10 Дж/см2) [96].Размер кластеров при таких параметрах определяется типичной методикой анализа напыления,полученного на подложке, и составляет 10-500 нм [97]. При интенсивностях меньших1012 Вт/см2 в [97] кластеры алюминиевой мишени не были зарегистрированы. Кластерная средаявляется нелинейной средой и может быть эффективной с точки зрения лазерной генерациирентгеновского излучения (это показано в обзоре [98] для кластеров, образовавшихся приадиабатическом расширения газа в вакуум) и оптических гармоник: в работе [99] сообщается овозрастании сигнала высших гармоник в кластерах, сформированных в облаке веществамишени, аблированном лазерным излучением с плотностью энергии близкой к пороговой.Скорость разлета кластеров, образовавшихся в результате абляции существенно ниже изависит слабее от плотности энергии лазерного импульса, чем скорость разлета облака атомов,электронов или ионной плазмы.
Под скоростью разлета плазмы, как правило, понимаютскорость ионного звука, которая зависит от температуры плазмы Te (формула 1.1) как√⁄, где Z и mi- заряд и масса ионов [19]. Для плазмы мишени, образованнойинтенсивным (1016 Вт/см2) фс-лазерным импульсом, Z≈10 [100], Te≈100-250 эВ [100–102] (или,⁄ . В [103] и [104]по оценке из формулы 1.1, Te≈700 эВ) скорость составитсообщается, что при меньших интенсивностях лазерного импульса (в диапазоне плотностейэнергий J=0,5-5 Дж/см2), скорость кластеров, возникающих при абляции лазерным импульсомдлительностью 100 фс металлической мишени (Au, Cu, Ti, Zr, Hf) составляет (1-2)∙104 см/с.
Приэтом, атомарная и ионные компоненты облака разлетаются с близкими скоростями:(4−8)∙105 см/си2(0,5-1)∙106см/ссоответственно.Прибольших(J=7−10 Дж/см ) скорость разлета кластеров увеличивается до 105плотностяхэнергиисм/с [105, 106]. Придальнейшем повышении плотности энергии лазерного импульса (более 15 Дж/см2), помимо24кластеров, начинают образовываться крупные «капли» (размер порядка 1 мкм), скоростьраспространения которых еще ниже (~104 см/с) [105].
Обладая скоростью ~104-105 см/с, завремена порядка 10 нс, кластеры успеют распространиться на расстояние 1-10 мкм. Такимобразом, в случае низкого контраста лазерного излучения, наличие предымпульса синтенсивностью 1012-1014 Вт/см2 на наносекундном масштабе может оказывать существенноевлияние на взаимодействие основного лазерного импульса с поверхностью мишени только всилу образования ионного или атомарного облака, которые успеют (в отличие от кластерного)разлететься на достаточное расстояние.При увеличении глубины кратера, формируемымлазерном воздействии на мишень,при импульсно-периодическомколичество сгенерированных нанокластеров можетувеличиваться [107]. Кроме этого, образующийся конический микроканал может служитьаналогом сопла, проходя через которое, вещество мишени будет более эффективнокластеризоваться.
В работе [105] была проведена аналогия разлета и кластеризацииаблированного вещества мишени со случаем кластеризации газа, проходящего через сопло,который будет подробно описан в следующем параграфе (разделе 1.2.1). В случаеформирования глубокого микроканала внутри мишени, взвесь аблированных микро- инаночастиц, может накапливаться внутри этого канала [108]. Наличие субмикронных (400 нм)кластероввнутриканаламишени,находящейсяввоздухе,былообнаруженодляпикосекундных лазерных импульсов [7]. При этом, для оседания такого облака частицтребовалось порядка десятка секунд [7], а в случае использования фемтосекундных импульсов– до нескольких минут [83].
Для лазерных импульсов длительностью 300 пс, частоты 5 Гц иплотности энергии 100 Дж/см2, размер кластеров по оценкам составил 200 нм, а время ихоседания – около минуты [108, 109]. Процесс возникновения кластеров описываетсяследующим образом. Сначала аблируется вещество мишени, в течение 300 мкс охлаждается до2000 °С [7]. После этого начинается конденсация вещества в субмикронные частицы, которыеприсутствуют в канале в течение нескольких секунд. Вышеописанные выводы были сделаныдля пикосекундных импульсов, но, вероятно, что в случае длительностей, короче 50 пс,процессы будут отличаться только тем, что ионизация воздуха/газа, окружающего эти частицыбудетпроисходитьнеэффективно.Врезультатебудутобразовываться«островкирасширяющейся микроплазмы» [7], т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
