Микро- наноструктуры и гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой микроскопии

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................... 6
Глава I. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР.
§1.1. Методы диагностики лазерноиндуцированных процессов 39 §1.2. Лазерная диагностика при помощи усилителя яркости оптических изображений................................. 46
§1.3. Экспериментальная установка и методика измерений 48
§1.4. Формирование изображения в лазерном проекционном
микроскопе ......................................... 60
1.4.1. Дифракционная задача и формирование поля на входе лазерного усилителя........................... 61
1.4.2. Образование изображения в лазерном мониторе 66
1.4.3. Формирование изображения в лазерном усилителе яркости ............................................ 71
§1.5. Формирование микроструктур при лазерной термохимической модификации поверхности............................ 74
§1.6. Визуализация процесса сварки оптических волокон при
помощи лазерного монитора .......................... 82
§1.7. Гидродинамика формирования микроструктур при лазерном воздействии на вещество............................... 87
1.7.1. Гидродинамические процессы в ванне расплава 88
1.7.2. Математическая модель термокапиллярной конвекции 90
1.7.3. Математическое моделирование динамических процессов при образовании структур и неустойчивостей на поверхности вещества ................................. 96
1.7.4. Экспериментальные результаты ................. 101
Выводы к главе 1................................................ 110
3
Глава II. ЛАЗЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОВЕРХНОСТЬ ГРАФИТА И ДИАГНОСТИКА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ ПЛАВЛЕНИЯ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ.
§2.1. Методика экспериментальных исследований воздействия
квазипериодического лазерного излучения на поверхность
графита............................................... 111
§2.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение ........ 112
§2.3. Методика восстановления трехмерного рельефа поверхности по ее двумерным изображениям ........................ 119
§2.4. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К .................. 132
§2.5. Исследование поверхности образцов после лазерного воздействия................................................... 137
2.5.1. Исследование нагреваемой поверхности фафита с помощью лазерного монитора и оптического микроскопа 141
Выводы к главе II................................................ 149
Глава III. ГЛАВА III. ФОРМИРОВАНИЕ СУБМИКРОННЫХ И НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДО-СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
§3.1. Наночастицы, нанокластеры и наноструктуры. Методы их
получения в поле лазерного излучения.................. 150
3.1.1. Классификация ................................. 151
3.1.2. Аллотропные формы углерода. Углеродные нанотрубки ................................................ 151
3.1.3. Получение нанотрубок и наноструктур ........... 156
§3.2. Описание экспериментальной методики ............... 163
§3.3. Объект исследования. Параметры лазерного воздействия 170
§3.4. Образование микро- и наноструктур на поверхности
стеклоуглерода при лазерном воздействии .............. 170
§3.5. Особенности поверхности углеродосодержащих материалов после кристаллизации, возмущенной лазерным им-
пульсно периодическим излучением...................... 191
Выводы к главе III............................................... 199
Глава IV. ФОРМИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ СУБМИКРОННЫХ И НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ХОЛОДНОЙ ПОДЛОЖКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ.
Введение ............................................. 200
§4.1. Лазерная абляция. Тепловая и гидродинамическая модели
(краткий обзор)....................................... 201
§4.2. Экспериментальная методика........................... 208
§4.3. Наблюдение процесса лазерной абляции и осаждения частиц на подложку в реальном масштабе времени при помощи лазерного монитора ................................... 212
§4.4. Исследование области осаждения аблированных частиц на подложке при ПО.М01ЦИ сканирующего зондового микроскопа...................................................... 215
§4.5. Формирование субмикронных и наноструктур в слоистой
системе подложка из кварцевого стекла - металл........ 220
§4.6. Результаты экспериментов............................. 224
§4.7. Формирование наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии импульсно-периодического излучения с наносекундной длительностью импульсов ... 225
§4.8. Экспериментальное сопоставление процессов лазерной абляции твердых мишеней в воде и воздухе при пикосекундной длительности импульсов............................. 230
5
§4.9. Способ осаждения частиц из плазменного эрозионного факела управляемым геометрическим макрораспределением... 233
§4.10. Формирование наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии непрерывного лазерного излучения и изучение их характеристик ....................... 235
Выводы к главе IV.................................. 239
Глава V. НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.
ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ.
Введение........................................... 240
§5.1. Пространственные характеристики оптического изображения области лазерного воздействия на поверхность вещества.................................................. 245
§5.2. Распределение энергии по пространственным частотам для гидродинамического процесса в области лазерного
воздействия........................................ 250
§5.3. Количественные характеристики оптических изображений
области лазерного воздействия ..................... 252
§5.4. Формирование волновых структур на поверхности расплава при импульсно-периодичном лазерном воздействии 260 §5.5. Нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости, возбуждаемых лазерным излучением. Фазовые портреты колебаний........................................... 262
§5.6. Временные характеристики гидродинамических неустойчивостей, индуцированных мощным лазерным излучением. Восстановление фазового портрета ................... 266
Выводы к главе V.............................................. 282
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:................................................. 283
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................. 286
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Для лазерной физики и современных лазерных и лазерноинформационных технологий значительный интерес представляет исследование высокотемпературных процессов в области лазерного воздействия на поверхность различных материалов, приводящих к возбуждению пространственно-временных неустойчивостей и образованию микро- и наноструктур на поверхности твердого тела. Развитие таких процессов во времени определяется фундаментальными физическими явлениями, диагностика которых в реальном масштабе времени позволяет расширять область их практических приложений. Несмотря на длительную историю проводимых исследований по данному направлению, начатых практически со вре-мени создания лазеров, проблема модификации заданным образом физикохимических свойств материалов под воздействием лазерного излучения остается приоритетной и на сегодняшний день и требует специальных экспериментальных условий по наблюдению и управлению в реальном масштабе времени развитием лазерно-индуцированных процессов. Особое значение при этом имеет получение новых наноструктурированных материалов при образовании поверхностных микро- и наноструктур. Одним из методов возбуждения таких структур является наноструктуризация поверхности при остывании образца после лазерного нагрева и плавления поверхности материала, а также лазерная абляция вещества образца с его осаждением на поверхности подложки, располагаемой непосредственно над облучаемым образцом. Дальнейшее развитие данных методов связано с возможностью управления параметрами образующихся по таким механизмам микро- и наноструктур в поле лазерного излучения. Принципиально, что с помощью исследуемых гидродинамических нелинейных процессов создаются пространственно протяженные поверхностные области с изменяемой топологией наноструктур в зависимости от конкретных уело-
вий лазерного эксперимента. Получение таких новых наноструктуриро-ванных материалов с требуемыми поверхностными характеристиками представляет актуальную задачу современного материаловедения и нанотехнологий, в которых методы лазерной физики могут играть доминирующую роль.
Динамика развивающихся нелинейных волновых процессов в области лазерного плавления поверхности твердого тела может быть исследована разными методами. Например, определение скорости движения потока расплава - с помощью доплеровской анемометрии, измерение периода испарительно-капиллярных волн - но колебаниям интенсивности эрозионного факела и т.п. Однако, проведение диагностики высокотемпературных процессов, сопровождающихся лазерным расплавом вещества на поверхности исследуемого образца, непосредственно во время лазерного воздействия в самой области взаимодействия затруднена из-за присутствия экранирующего свечения эрозионного факела, возникающего над облучаемой поверхностью, и собственного излучения нагретой до высокой температуры поверхности материала. Это препятствует применению для исследования зоны взаимодействия в реальном масштабе времени прямых и высокоинформативных методов распознавания нелинейных оптических образов с помощью скоростных методов регистрации видеоизображений, которые представляют наибольший интерес в аспекте изучения физических механизмов, ответственных за лазерно-возбуждаемые гидродинамические процессы и неустойчивости при поверхностном плавлении твердых тел, а также для разработки методов прямого управления развитием нелинейных волновых процессов и явлений непосредственно во время лазерного воздействия.
В данной работе впервые эти вопросы рассмотрены в едином комплексе и проведено детальное изучение процессов формирования микро-и наноструктур на поверхности твердого тела под действием лазерного излучения в условиях расплава вещества на основе оригинальных методов
8
лазерной диагностики и распознавания образцов при развитии динамических нелинейных явлений в реальном масштабе времени.
Целью диссертационной работы являлось решение крупной научной проблемы - установление закономерностей направленного формирования микро- и наноструктур на поверхности твердых тел в результате их расплава в лазерном поле в условиях возбуждения лазерно-индуцированных гидродинамических и термохимических процессов, ответственных за развитие пространственно-временных неустойчивостей и за последующее образование микро- и наноструктур с управляемой топологией на поверхности различных веществ.
Для достижения данной общей цели были решены следующие конкретные задачи:
1) разработаны оригинальные экспериментальные методы регистрации и распознавания нелинейных оптических изображений, которые позволили проводить исследования лазерно-индуцированных нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности твердых тел в реальном масштабе времени в условиях недоступных для стандартных методов измерений из-за экранировки изучаемой поверхности излучением плазменного факела, возникающего непосредственно над облучаемой поверхностью;
2) создана математическая модель формирования оптического изображения в лазерном усилителе яркости, используемого для визуализации в реальном масштабе времени процессов модификации поверхности образца при воздействии лазерного излучения;
3) изучены нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности различных сред в области лазерного воздействия и определены их характеристические параметры;
А) исследованы пространственно-временные гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности различных веществ в условиях их лазерного плавления;
5) разработана математическая модель многовихревой термокапиллярной конвекции на поверхности твердых тел, индуцированной лазерным излучением в ванне расплава;
6) предложены новые методы реконструкции трехмерных структур, образующихся в процессе лазерного воздействия на поверхность твердых тел, на основе двумерных динамических оптических изображений, полученных с помощью лазерного усилителя яркости;
7) впервые надежно зарегистрировано плавление графита в лазерном поле при атмосферном давлении, обнаружено вытекание жидкого углерода из ванны расплава и изучены характерные особенности процесса плавления;
8) исследованы процессы наноструктуризации поверхности углеродосодержащих материалов в поле лазерного излучения и определены условия направленного формирования микро- и наноструктур из жидкой фазы графита;
9) изучены процессы лазерной абляции с поверхности образцов стеклоуглерода и графита и разработаны методы лазерного напыления пространственно протяженных наиоструктурированных объектов на поверхность подложки, располагаемой непосредственно над облучаемым образцом.
Объектами исследования в настоящей работе являлись материалы, представляющие интерес для современных лазерных и лазерноинформационных технологий — металлы (медь, титан, сталь, вольфрам, молибден, золото) и их сплавы, углеродосодержащие материалы (графит разных модификаций, стеклоуглерод), слоистые структуры (хромированные покрытия различных металлов), а также диэлектрические материалы, включая оптические волокна. Отдельные эксперименты были поставлены на биологических тканях. Весь комплекс проведенных исследований с различными объектами показал универсальность разработанных оригинальных экспериментальных подходов.
10
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется проведением комплексных экспериментальных исследований ла-зерно- индуцированных пространственно- временных неустойчивостей и поверхностных структур при лазерном нагреве и плавлении твердых тел методами оптического лазерного зондирования и измерений микро- нанопараметров изучаемых объектов с помощью сканирующей зондовой и электронной микроскопии. Результаты данных экспериментов сопоставлены с выводами выполненных теоретических исследований, с использованием математического моделирования и подходов нелинейной динамики для распознавания оптических изображений в условиях развития нелинейных волновых процессов и неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением в конденсированной среде.
Используемые экспериментальные методики и теоретические подходы:
- поверхности исследуемых твердотельных образцов из различных материалов шлифовались и производилась их оптическая полировка; в отдельных случаях наносились покрытия на поверхность образцов методом вакуумного напыления и химического осаждения;
- эксперименты выполнялись с использованием современных автоматизированных лазерных комплексов, работающих в импульснопериодическом и непрерывном режимах; исследование динамических нелинейных процессов в области воздействия мощного оптического излучения неодимового лазера (излучение накачки) на материалы проводилось в реальном масштабе времени при помощи оригинальной экспериментальной методики с использованием лазерного усилителя яркости (лазер на парах меди) с компьютерной обработкой оптических изображений, регистрируемых скоростной цифровой камерой; изучение морфологии получаемых поверхностных наноструктур осуществлялось при помощи сканирующей электронной и зондовой микроскопии; для изучения скорости ла-
зсрно-индуцированных гидродинамических течений применялся допле-ровский анализатор;
- для теоретического описания термохимических и гидродинамических процессов и неустойчивостей, возбуждаемых лазерным излучением в конденсированной среде, применялись методы математического моделирования на основе уравнений нелинейной динамики и численного моделирования; пространственные характеристики возбуждаемых лазерным излучением поверхностных структур, которые регистрировались в виде динамических оптических изображений, моделировались на основе подходов фрактальной геометрии.
Научная новизна работы заключается в получении приоритетных результатов как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью различных твердых тел в условиях формирования поверхностных микро- и наноструктур при лазерном нагреве и расплаве вещества образцов, а также в разработке физических моделей для описания наблюдаемых нелинейных волновых процессов и неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением на поверхности твердых тел. Эти результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.
1. Разработан оригинальный экспериментальный метод визуализации в реальном масштабе времени области лазерного воздействия на поверхность твердого тела, недоступной при стандартных методах измерения из-за экранирования области взаимодействия плазменным факелом, возникающим непосредственно над поверхностью облучаемого материала, с использованием лазерного усилителя яркости с компьютерной обработкой получаемых оптических динамических изображений.
2. На основе данного метода впервые обнаружена жидкая фаза графита, образующаяся при его плавлении при внешнем атмосферном давлении 1 атм. и температуре около 4000 К. Процесс образования жидкого уг-
12
лерода при плавлении графита в поле сфокусированного лазерного пучка регистрировался в реальном масштабе времени с фиксацией всех этапов развития пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов в расплаве.
3. Впервые экспериментально получены и исследованы методами зондовой и электронной микроскопии микро- и наноструктуры, образующиеся при лазерном воздействии на поверхность стеклоуглерода. Показано, что наноструктуризация поверхности происходит как в условиях кристаллизации жидкой фазы углерода внутри ванны расплава, так и из-за осаждения паров вещества на холодную поверхность за ее пределами. Обнаружены несколько типов пространственных наноструктур с управляемой топологией — нанопики, микропоры, квазидомены — в зависимости от выбираемых параметров лазерного пучка и условий эксперимента.
4. Зарегистрировано новое явление - образование упорядоченных субмикронных структур и наноструктур при воздействии мощного лазерного излучения на слоистую систему: прозрачная среда (стекло), тонкий воздушный слой, поглощающая среда (графит). При использовании микро-и наноструктурированного графита в такой системе в результате процесса лазерной абляции эти микро- наноструктуры переносятся (копируются) на поверхность прозрачной среды. Для данной схемы лазерной фотолитографии определены оптимальные геометрические параметры слоистой системы и критические режимы осаждения, приводящие к образованию упорядоченных структур управляемым образом.
5. Предложен новый способ изучения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических процессов на поверхности твердых тел (металлы, сплавы, тонкие пленки и др.) с помощью диагностики области лазерного воздействия в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости. Получены пространственные распределения во времени толщины слоя компактного окисла в процессе лазерного воздействия. Показано, что экспериментальные резуль-
таты для реально изучаемых поверхностей материалов могут значительно отличаться от ожидаемых теоретических зависимостей, рассчитанных для идеализированных поверхностей. Впервые зарегистрированы в реальном масштабе времени оптические изображения гидродинамических проспранственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности различных материалов, и выявлены условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур при обратном действии паров отдачи, возникающих при лазерном испарении/абляции вещества и приводящих к экранировке излучением возникающего плазменного факела наблюдаемой области лазерного воздействия. Предложен новый способ конгроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации непосредственно в процессе сварки сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.
6. Впервые на основе подходов нелинейной динамики классифицированы в численных показателях получаемые динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество в условиях реализации различных режимов/ последовательных стадий лазерно-индуцированиых нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности образцов - ламинарное течение, турбулентные потоки, сублимация вещества с поверхности расплава. В условиях выплеска расплава вещества измерен спектр пространственных частот динамического процесса, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения жидкости и плотностью мощности излучения лазерной накачки.
7. С использованием подходов фрактальной геометрии и теории информации впервые получены харакщрные численные параметры, определяющие слепень хаотизации процесса лазерного плавления вещества на основе обработки регистрируемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия. Показана связь этих параметров с состоянием поверхности и определена их зависимость от различных режимов возбуждения гидродинамических неустойчивостей в ванне расплава. Обнаружен хаотический характер низкочас-
14
тотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением при плавлении вещества, и показано, что в спектре этих колебаний проявляется механизм субгармонического каскада удвоения периода колебаний.
Практическая значимость исследований. Полученные в диссертации результаты представляют практический интерес для разработки новых физических принципов получения материалов с управляемыми физикохимическими свойствами, определяемыми свойствами поверхности образца, на которой возбуждаются микро- и наноструктуры в поле лазерного излучения. На основе проведенных исследований могут быть созданы новые лазерные и лазерно-информационные технологии с управлением в реальном масштабе времени процессом лазерной обработки материалов. Практическая значимость полученных результатов подтверждена шестью патентами (приведены в конце списка опубликованных работ по теме диссертации).
Выполненные исследования поддержаны фантами Российского фонда фундаментальных исследований, федеральными целевыми программами Министерства образования и науки РФ, федерального Агентства по образованию.
Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту:
1. Оригинальный автоматизированный лазерно-информационный комплекс, включающий в себя мощный лазер накачки, зондирующий канал и канал регистрации, позволяющий осуществлять визуализацию в реальном масштабе времени области лазерного воздействия на поверхность твердого тела, недоступной при стандартных методах измерения из-за ее экранировки плазменным факелом, возникающим непосредственно над поверхностью облучаемого материала, с использованием лазерного усилителя яркости с автоматизированной компьютерной регистрацией и обработкой получаемых оптических динамических изображений поверхности образца.
15
2. Прямая регистрация в реальном масштабе времени жидкой фазы графита, образующейся при его лазерном плавлении при внешнем атмосферном давлении 1 атм. и температуре около 4000 К, с фиксацией всех этапов развития пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов во время процесса образования жидкого углерода в расплаве.
3. Методика получения микро- и наноструктур при лазерном воздействии на поверхность стсклоуглерода в условиях его плавления и измерение их характеристик методами зондовой и электронной микроскопии; выяснение механизмов наноструктуризации поверхности, которая происходит как в условиях кристаллизации жидкой фазы углерода внутри ванны расплава, так и из-за осаждения паров вещества на холодную поверхность за ее пределами, и обнаружение нескольких типов пространственных наноструктур с управляемой топологией -нанопиков, микропор, квазидоменов - в зависимости от выбираемых параметров лазерного пучка и условий эксперимента.
4. Новое явление образования упорядоченных субмикронных структур и наноструктур при воздействии мощного лазерного излучения на слоистую систему в схеме лазерной фотолитшрафии - прозрачная среда (стекло), тонкий воздушный слой, поглощающая среда (графит), - которые в результате процесса лазерной абляции с поверхности микро- и ианострукту-рировапиого графита в такой системе переносятся (копируются) на поверхность прозрачной среды; определение оптимальных геометрических параметров слоистой системы и критических режимов осаждения вещества для управляемого получения поверхностных структур с заданной топологией.
5. Новые методы измерения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических и гидродинамических процессов на поверхности твердых тел (металлы, сплавы, тошеие пленки и др.) на основе диагностики области лазерного воздействия в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости, по-
16
зволяющие получать пространственные распределения во времени толщины слоя компактного окисла в процессе лазерного воздействия, осуществлять регистрацию в реальном масштабе времени динамической картины гидродинамических пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности различных материалов, и выявлять условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур в условиях обратного действия паров отдачи, возникающих при лазерном испарении/абляции вещества, а также новый способ контроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации непосредственно в процессе сварки сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.
6. Классификация в численных показателях на основе подходов нелинейной динамики получаемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия на вещество в условиях реализации различных режимов/ последовательных стадий лазерно-индуцированньтх нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности образцов - ламинарного течения, турбулентных потоков, сублимации вещества с поверхности расплава - и измерение в условиях выплеска расплава вещества спектра пространственных частот динамического процесса, определяемого характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности лазерного излучения накачки.
7. Использование подходов фрактальной геометрии и теории информации для получения характерных численных параметров, определяющих степень хаотизации процесса лазерного плавления вещества на основе обработки регистрируемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия, и определение связи этих параметров с состоянием поверхности образца в зависимости от различных режимов возбуждения гидродинамических процессов в ванне расплава; обнаружение хаотического характера низкочастотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением при плавлении вещества, в условиях проявления механизма субгармонического каскада удвоения периода колебаний.
17
Личный вклад автора в проведенное исследование
Вес результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или в соавторстве при непосредственном его участии, либо под его непосредственным руководством.
Апробация работы проведена в ходе выступлений на российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications'95,98 SPIE'95,98 (Shatura, Russia, 1995,1998), VIII International Conference Laser Application Engineering LAE-8 (Sl.Pelersburg, 1996), II International Symposium on Modern Problems of Laser Physics (Akademgorodok, Novosibirsk, Russia, 1997, 2004, 2008), XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ICONO’98 (Moscow, 1998), международная конференция «Лазерные технологии-98» lLLA-98 (Шатура, Россия, 1998), ILLA-2003 (Смолян, Болгария,
2003), международная конференция LANE’1997, 2001, 2007 (Erlangen, Germany, 1997, 2001, 2007), VII международная конференция «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения» (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), II российско-французский лазерный симпозиум «Современные направления в лазерной физике: спектроскопия, квантовые эффекты и атомная оптика, оптические изображения и информация» (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), международная конференция LАТ-2002, 2005 (Москва, 2002, Санкт - Петербург, 2005), International Conference Laser Optics-03 (St.Petersburg, 2003), International Conference on High Power Laser Beams HPLB-2006 (Nizhny Novgorod, 2006), International Conference «Advanced Laser Technologies» ALT‘06 (Braçov, Romania, 2006), International Conference ICONO/LAT (Minsk, 2007), Ger-man-Russian Laser Symposium 2006, 2008 (Nizhniy Novgorod 2006, Luebeck, Rostok and Hamburg, 12-18 April, 2008).
18
Публикации резулы-атов работы. Материалы диссертации опубликованы в 43 научных статьях, в том числе 25 статей в журналах, из перечня рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ для публикации научных результатов диссертаций; по результатам исследований получено 6 патентов на изобретения. Всего по результатам диссертации опубликовано более 100 работ в различных научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 310 страниц, 98 рисунков и 6 таблиц. Список использованных источников содержит 285 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и конкретные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения работы, выносимые на защиту, приведен краткий обзор литературы по исследуемой проблеме.
Первая глава диссертации посвящена изучению основных методов лазерной диагностики и лазерным методам формирования микро- и наноструктур. На основании анализа литературных данных и оригинальных результатов предложены оптические схемы регистрации процессов, которые происходят в области лазерного воздействия. В качестве основного метода регистрации таких процессов предлагается схема гак называемого лазерного монитора. Лазерный монитор представляет собой лазерный усилитель яркости, сопряженный с системой компьютерной регистрации и обработки оптических изображений. Для целей данной работы на основе лазерного монитора создан проекционный микроскоп.
19
Возможности лазерных проекционных микроскопов для визуализации высокотемпературных процессов продемонстрированы в работе [1]. Наибольшие перспективы в применении такого рода оптических схем связаны с быстрым прогрессом методов скоростной съемки и методов компьютерной обработки оптических изображений.
Преимущества разработанной экспериментальной установки при исследовании высокотемпературных процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с материалами в условиях образования паразитной засветки от эрозионного факела, экранирующего область воздействия, наглядно проявились при проведении сравнительного эксперимента. При интенсивности излучения силового лазера порядка 4-105 Вт/см2 эрозионный факел развивается настолько, что его свечение полностью экранирует область взаимодействия лазерного излучения с поверхностью материала, не позволяя производить ее наблюдение. На изображение области взаимодействия, полученное в канале с усилителем яркости, это не оказывает влияние, а изображение, полученное в канале без усиления, становится непригодным для исследования процессов, протекающих на поверхности.
При формировании изображения в лазерном усилителе яркости следует различать два случая - линейного и нелинейного режима работы лазерного усилителя. В первом случае, мощность светового пучка на входе лазерного усилителя мала и усиливаемое излучение не меняет инверсную населенность уровней. Тогда световое поле на выходе лазерного усилителя будет иметь поперечное распределение, совпадающее с таким распределением, какое было бы и при отсутствии усиливающей среды, но усиленное в ехр{$Ь) раз, где р - ненасыщенный коэффициент усиления. Во втором, общем случае, нужно учесть влияние усиливаемого излучения на инверсную населенность уровней, г.е. учесть эффект' насыщения усиления.
Особенно сильные искажения претерпевает сигнал в том случае, когда большое усиление сосредоточено на малой длине. При увеличении
20
длины усилителя относительная доля искажений должна снижаться, однако провести анализ для произвольного вида сигнала в этом случае не удастся. Поэтому построение общей модели формирования изображения в усилителе яркости для произвольного вида сигнала невозможно, и нужно рассматривать каждый конкретный случай в отдельности.
Математическая модель формирования сигнала со сложной поперечной структурой в лазерном усилителе построена на основе теоретического подхода развитого в работах [2,3]. Математическая модель формирования изображения в оптической системе с лазерным усилителем яркости отражает в себе объединенное решение задачи дифракции светового пучка на элементах оптической схемы и задачи преобразования сигнала в лазерном усилителе яркости при учете нелинейного эффекта насыщения.
В численных расчетах были использованы оптические изображения области лазерного воздействия на поверхность вещества, полученные экспериментально. Изображения имели сложное, случайное распределение яркости. Показано, что в линейном режиме усиления изображение практически полностью совпадает с исходным, а при наличии насыщения контраст изображения заметно ухудшается.
Исследование термохимических реакций проводилось на образцах из различных металлов и сплавов: сталь различных марок (20, 40, 60, нержавеющая сталь марки 10Х17Н2), медь электролитическая, латунь, титановый сплав ВТ9, свинец и др. Образцы подвергались воздействию излучения твердотельного лазера УАСгИб различной мощности (до 30 Вт) сфокусированного в пятно диаметром 0,1 мм. На оптических изображениях отчетливо выделяется область воздействия лазерного излучения на поверхность металла и расходящийся фронт в виде локализованной темной полосы. Основываясь на результатах проведенных экспериментальных исследований, описываемый фронт был интерпретирован как интерференционный минимум отражения от системы окисел-металл в случае образования на поверхности металла компактного окисла.
21
Образующийся на поверхности металла слой окисла существенно изменяет условия отражения зондирующего излучения, что позволило, исходя из изменений коэффициента отражения излучения лазера на парах меди, определять толщину этого слоя. Толщина слоя окисла определялась в предположении достаточно плавного изменения параметров слоистой системы окисел-металл вдоль облучаемой поверхности, так что локально выполняются известные соотношения для коэффициента отражения излучения по амплитуде от системы окисел-металл.
Полученные зависимости качественно правильно отражают динамику и распределение слоя окисла па поверхности образца титана в условиях неоднородной освещенности. Однако экспериментальная зависимость имеет более сложный характер, что, по-видимому, является следствием как неоднородных свойств поверхности металла, так и влияния других факторов на коэффициент отражения (например, неоднородности слоя окисла, вызванной появлением трещин слоя окисла (разбиением окисла на зер-на)[4]).
Одним из важных требований к волоконно-оптическим системам связи является реализация малых потерь, вносимых волоконно-оптическими элементами. Волоконно-оптические системы передачи информации, как правило, создаются не на одном непрерывном световоде, а предполагают соединения многих оптических волокон, в том числе и неразъемные, осуществляемые сваркой. Сварное соединение становится своеобразным дефектом на пути исследования передаваемого сигнала и приводит к его дополнительному затуханию. Поэтому принципиальным становится вопрос о качестве сварного соединения.
Для решения сформулированной выше задачи были проведены исследования процесса сварки оптических волокон при помощи разработанной экспериментальной установки по исследованию высокотемпературных процессов обработки устройств оптоэлектроники. Установка включает в себя аппарат для электродуговой сварки оптических волокон, сопряжен-
22
ный с лазерным монитором на основе лазера на парах меди. Лазер на парах меди, являющийся основным элементом экспериментальной установки, осуществляет подсветку, усиление яркости изображения области обработки и фильтрацию от излучения фоновой (паразитной) засветки.
Описанная выше экспериментальная установка и методика диагностики процесса сварки оптических волокон лежат в основе разработанного способа контроля соосности волоконных световодов. Разработанная установка позволила визуализировать процесс получения сварного соединения световодов и наблюдать его от начала (позиционирование оптических волокон) до конца (выравнивание и остывание оптического волокна).
Важнейшие предпосылки для применения лазерного излучения в целях формировании микро- и наноструктур обусловлены высоким уровнем понимания фундаментальных законов при развитии лазерно-индуцированных процессов. Следует отметить, что к моменту проведения данных исследований существовал ряд проблем, который требовал разрешения. В качестве одной из таких проблем можно отметить динамику развития пространственных и временных термодинамических и гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением, так как именно в условиях неустойчивостей следует ожидать формирования микро- и наноструктур при лазерном воздействии. Решение такого рода задач представляет несомненный интерес. Однако математические модели существуют только для слабо неравновесных систем. Например, при термокапиллярной конвекции в теоретических моделях рассматривается многовихревая конвекция. Необходимо сделать следующий шаг в моделировании и рассмотреть переход к турбулентному режиму движения расплавов под действием лазерного излучения. Представляется весьма важным выбор количественных признаков и показателей перехода к хаотическому состоянию гидродинамических колебаний расплава. В данной работе анализ проводился на основе обработки оптических изображений области лазерного воздействия, которые были получены при помощи лазерного МО-
23
нитора. В качестве количественных параметров, характеризующих состояние поверхности, были выбраны информационная и топологическая энтропия, которые в дальнейших исследованиях использовались как критерии порядка наблюдаемых оптических изображений.
Таким образом, в диссертационной работе выбраны объекты исследований, определены задачи исследований. В качестве основного экспериментального метода лазерной диагностики в реальном масштабе времени выбран метод лазерной проекционной микроскопии с компьютерной обработкой оптических изображений. Изучение свойств полученных микро- и наноструктур проводилось с помощью зондовых микроскопов ЭМЕИА и ШЕвКА, точность разрешения которых удовлетворяла требованиям, поставленным в исследовании. Отдельные образцы исследовались методом электронной сканирующей микроскопии.
В главе 2 представлено исследование временной эволюции рельефа поверхности графита, подвергающейся воздействию лазерного излучения. Лазерное воздействие на поверхность твердого тела может приводить к твердофазному разрушению (сублимации), минуя фазу расплава. В связи с этим представляет интерес применение экспериментальной методики, рассмотренной в предыдущей главе для изучения материалов, в которых происходит сублимация под действием лазерного излучения. В качестве объекта исследования был выбран графит. Основанием для такого выбора послужило то обстоятельство, что наблюдение эволюции поверхности графита под действием лазерного излучения представляет самостоятельную актуальную задачу. Эта актуальность обусловлена тем, что в настоящее время во многих технологических процессах обработки графитовых образцов с целыо получения новых материалов (алмазоподобных пленок, нанотрубок и т.д.) активно применяются лазерные комплексы.
С помощью лазерного монитора получены видеоизображения поверхности графита, подвергающейся воздействию сконцентрированного лазерного излучения. Зафиксировано существование перемещающегося по
24
нагреваемой поверхности светлого кольца. Предложен и реализован метод восстановления рельефа поверхности по видеоизображению, получаемому с помощью лазерного монитора. Восстановлен эволюционирующий во времени рельеф поверхности графитового образца. Относительные изменения высот рельефа в процессе лазерного воздействия прослеживаются вполне надежно. Поперечные размер неоднородностей очень слабо зависит от формы диаграммы отражения, ч то позволило надежно определить как статистические характеристики размеров неоднородностей, так и характер изменения этих характеристик в процессе лазерного воздействия на поверхность графитового образца.
До недавнего времени проблема существования карбина на фазовой диаграмме углерода находила свое отражение в существовании двух альтернативных фазовых диаграммах углерода. Согласно первой из них [5], в интервале температур АТ = 2600 — 3800 К существуют устойчивые фазы карбина. При полной конверсии графита в карбин реализуется карбиновая тройная точка твердое тело-жидкость-пар, давление и температура в которой соответственно равны ртт = 2-104 Па и Ттт = 3800 К. Согласно второй фазовой диаграмме [6], существует только графитовая тройная точка твердое тело-жидкость-пар с параметрами ртт = 107 Па и Ттт = 5000 К. Существование области карбина ставится в этой диаграмме под сомнение. Единственной работой, в которой плавление углерода при давлении около 1 бар и температуре около 3800 К зафиксировано с помощью скоростной киносъемки по отрыву капель жидкого углерода от зоны нагрева, создаваемой сконцентрированным лазерным излучением на боковой поверхности вращающегося с большой скоростью пирографитового цилиндра, является работа [7]. До сих пор результаты [7] никем не повторены, что, no-видимому, и служит главной причиной сомнений в их надежности. По-видимому, главная причина сомнений в достоверности результатов заключается в отсутствии однозначных свидетельств плавления углерода, будь
25
то приборная регистрация процесса плазления в реальном времени или наличие значительных количеств карбина в переплавленном графите.
В диссертации представлены результаты непосредственной регистрации приборным методом плавления углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением при давлении порядка 1 бар, и исследована структура переплавленного графита. Графитовый образец нагревался сфокусированным излучением импульсно-периодического YAGiNd3 -лазера (частота повторения импульсов 150 Гц, длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса излучения 3 мс). Средняя мощность излучения Р регулировалась в пределах от 20 до 80 Вт. Регистрация зоны взаимодействия лазерного излучения с поверхностью графита осуществлялось с помощью усилителя яркости на основе лазера на парах меди (ЛПМ). Для наблюдения вытекания жидкого углерода использовалась наклонная геометрия, когда излучение YAG:Nd'”'-лазера направлялось под углом 60°, а излучение ЛПМ под углом 90° (перпендикулярно) к поверхности образца. Излучение YAG:Nd3\na3epa фокусировалось на поверхности графитового образца в пятно, имеющего форму неправильного эллипса с поперечными размерами около 0,15 мм и 0,7 мм. Поперечные размеры зоны наблюдения составляли примерно 1,4 мм. Регистрация оптических изображений нагреваемой поверхности образца осуществлялась с помощью цифровой камеры с частотой 500 кадров в секунду. В качестве исследуемого образца был выбран графит, который является чистым в аспекте проведенных спектральных измерений и применяющийся в лабораторных угольных дугах с целью использования анодного пятна в качестве эталона яркостной температур!»! (3800 К) на длине волны 0,65 мкм. Содержание примесей в материале образцов: Fe - 9* 10'5 %, Mg - 3* 10'5 %, Мп - 8* 10° %, А1 - В10’3 %, Si -5*1 О*4 %, Си - 1*10'4%, В - 2*10'4 %. Такой же графит использовался в работе [8], в которой был осуществлен поиск признаков плавления углерода в катодном и анодном пятнах угольной дуги. Основным средством наблюдения служил также лазерный усилитель яркости.
26
Экспериментально зарегистрировано вытекание жидкого углерода, приводящее к разрушению соответствующей части ободка лазерной каверны и растеканию жидкого углерода по поверхности образца на расстояние около 0,2 мм от ободка каверны. Время, в течение которого происходит вынос жидкого углерода за пределы каверны, не превышает 0,3 с. В дальнейшем движение расплава по поверхности прекращается, он кристаллизуется. После этого внешний вид каверны мало меняется и хорошо сохраняется после охлаждения образца.
В диссертации предложен метод восстановления трехмерного рельефа поверхности на основе двумерного оптического изображения. Метод основан на законе отражения лазерного излучения от поверхности исследуемых образцов с учетом отражательных свойств материала (индикатрисы рассеяния при отражении). Для восстановленных рельефов оценивалась шероховатость поверхности с использованием статистики Херста [9]. Показано, что шероховатость поверхности уменьшается со временем, что связано с образованием жидкой фазы внутри лазерной каверны.
Согласно данным о температуре углерода в областях замыкания тока на катодах сильноточных угольных дуг в свободном воздухе, существует предельная температура 4000 К, которая достигается при токе дуги 400 А и не изменяется с его дальнейшим ростом. В [7] эта температура отождествляется с температурой кипения углерода. Однако независимо от того, определяется это значение температуры кипением или сублимацией углерода, се достижение должно сопровождаться сильной эрозией поверхности. Какие-либо признаки эрозии поверхности углерода в зоне «выноса» отсутствуют. Это означает, что температура углерода в названной зоне во время ее формирования не превышает 4000 К.
Для исследования изменений структуры переплавленного углерода относительно начальной структуры графита использовалась спектроскопия комбинационного рассеяния света (КР). Регистрация спектров КР осуществлялась на лазерном КР спектрометром ЬаЬгаш, оснащённом охлаждае-
27
мым CCD детектором и микроскопом. Спектры, полученные от разных участков образца вне зоны лазерного воздействия, практически совпадают, а интенсивность полосы D по сравнению с интенсивностью полосы G несколько больше. Это указывает на то, что исходный образец представляет собой достаточно сильно разупорядоченный графит. Спектры, зарегистрированные от «зоны выноса» близки к спектрам областей внутри каверны, однако отношение интенсивностей G и D линий на спектрах, полученных от различных областей каверны, несколько меняется от точки к точке, а в зоне выноса остается практически постоянным. Таким образом, внутренняя часть каверны более гетерогенна, чем «зона выноса». Важно отметить, что интенсивность D линии на спектрах исходного графита заметно больше таковой, чем на спектрах от зоны, обработанной лазером. Это свидетельствует о том, что степень упорядоченности графита в исходном образце заметно ниже, чем в зонах, подвергшихся мощному лазерному воздействию.
Исследования процесса взаимодействия лазерного излучения с графитом в реальном времени с использованием лазерного монитора позволили зарегистрировать образование жидкой фазы графита при давлении порядка 1 бар, экспериментально подтвердив тем самым реальность существования карбиновой тройной точки твердое тело-жидкость-пар.
Проведены исследования области лазерного воздействия при помощи зондового микроскопа. При мощности лазерного излучения 60 Вт и более реализуется существенно неоднородный (волнообразный) рельеф дна каверны. Этот факт согласуется с тем обстоятельством, что при меньшей мощности лазерного излучения плавления углерода в каверне не происходит, а ее дно формируется в результате сублимации твердого углерода. При мощности лазерного излучения 60 Вт внутри каверны образуется жидкий углерод, гидродинамические возмущения которого способны привести к образованию неровностей поверхности дна каверны.
28
Рельефы (структуры) поверхностей различных зон области лазерного воздействия свидетельствуют об изменении структуры графита в зонах нагрева и выноса жидкого углерода. Этот факт хорошо согласуется с данными КР-спектроскопии, согласно которым степень графитизации углерода в зоне нагрева и выноса жидкого углерода заметно выше степени его графитизации в исходном материале.
В главе 3 проведено исследование возможности образования наноструктур на поверхности углеродосодержащих образцов под действием лазерного излучения. Это является в настоящее время одним из наиболее активно развивающихся направлений лазерной физики. Развитие данной отрасли связано с тем, что свойства образующихся наноструктур существенно зависят от параметров лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, форма пучка), разработанные в последнее время лазерные системы позволяют охватить большой диапазон данных параметров, что позволяет рассчитывать на генерацию наноструктур с заданными свойствами.
В качестве объекта исследования использовался стеклоуглерод (СУ). Из-за своей аморфной структуры, данный материал сравнительно легко поддается воздействию лазерного излучения с плотностью мощности не превышающей 107 Вт/см2. Указанный диапазон интенсивности в настоящее время является достаточно распространенным в технологических лазерных системах. В проведенных опытах обнаружены зависимости морфологических свойств генерируемых наноструктур от расстояния до центра области воздействия. Показано, что механизмы их образования имеют различную природу. Зафиксированы признаки образования расплава в центре лазерной каверны и осаждения из газовой фазы за границами области воздействия. Образец из стеклоуглерода подвергался воздействию излучения лазера на УАС:№31 с длиной волны Х = 1,06 мкм, работающего в импульсно периодическом режиме с частотой следования импульсов/= 150 Гц и длительностью импульса т = 1,5 *2,5 мс, размер лазерного пятна на образце изменялся от 100 до 400 мкм. Средняя мощность излучения варьировалась в пределах
29
30 -з- 80 Вт, при этом обеспечивалась плотность мощности излучения на
7 2
поверхности образца до 10 Вт/см . Длительность времени воздействия составляла от 1 до 10 секунд.
Свойства образцов после воздействия исследовались при помощи атомно-силовой микроскопии (АСМ). Результатом зондирования материала являются изображения его поверхности. В ходе экспериментов удалось установить, что наиболее яркие признаки плавления СУ обнаруживаются на максимальной мощности Р — 80 Вт для длительности воздействия не менее / -3 с при давлении порядка 1 атм. Поэтому для анализа была принята условная граница по времени воздействия. Проведенные эксперименты показали, что для каверн, полученных при времени воздействия менее 3 с, наблюдаются характерные особенности:
а) образование двух визуально различимых областей: 1 - область непосредственного воздействия с гладким рельефом; 2 - область кольцевых образований, сильно рассеивающая свет.
б) АСМ позволила обнаружить ианоструктурировапие поверхности образца: в первой области наблюдались структуры типа «сталогнитов» -провалов в поверхности, для второй - характерны образования структур в виде «нанопиков».
Можно отметить, что размер структур типа «сталогнитов» неоднороден и колеблется от 0,08 до 5 мкм по основанию. При этом средний продольный размер достигает 200 - 400 нм. Обнаруженные внутри области 2 образования «нанопиков» имеют диаметр основания 0,4 - 0,5 мкм, высоту 60 - 300 нм и наблюдаются разрозненными структурами у центрального кольца. К внешнему краю встречаются более уплотненные образования с меньшей высотой, но большие по основанию. При увеличении времени воздействия / > 3 с наблюдался рост количества типичных зон, то есть при сканировании явным образом можно определить качественное изменение рельефа поверхности образца.
Отслеживалось изменение радиального размера наблюдаемой облас-