Исследование процессов абляции и осаждения при лазерном облучении границы раздела твердого тела с жидкостью

Оглавление
Введение
Глава 1. Исследование абляции поликрисгаллического карбида кремния при импульсном лазерном облучении границы раздела «прозрачная жидкость/ поглощающее твёрдое тело»
1.1.Обзор литературы. Постановка задачи
1.2.Техника эксперимента
1.3.Экспериментальные результаты по абляции БЮ керамики в жидкостях и в воздухе излучением лазера на парах меди 1 4. Анализ поверхности 81С керамики после лазерного воздействия
1.5. Металлизация поверхности вЮ керамики после лазерного воздействия 1.6.Обсуждение экспериментальных результатов 1.7. Выводы к главе 1 Глава 2. Исследование абляции сапфира при импульсном лазерном облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость»
2.1.Постановка задачи. Обзор литературы
2.2.Техника эксперимента
2.3.Экспериментальные результаты по абляции сапфира при облучении границы раздела «сапфир/поглощающая жидкость» излучением лазера на парах меди
2.4. Обсуждение экспериментальных результатов. Механизм абляции
3
твердого тела при облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/ поглощающая жидкость» импульсным лазерным излучением 51
2.5.Выводы к главе 2 60
Глава 3. Осаждение оксидных плёнок при импульсном лазерном облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость» 61
3.1 .Введение. Постановка задачи 61
3.2.Техника эксперимента 62
3.3.Осаждение оксидных плёнок при облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость» излучением лазера на нарах меди. Анализ кристаллической структуры оксидных плёнок 65
3.3.1. Осаждение плёнок Сг203 65
3.3.2. Осаждение плёнок Ре203 72
3.3.3. Осаждение плёнок Мп02 . 75
3.4. Обсуждение экспериментальных результатов. Механизм осаждения оксидных плёнок при импульсном лазерном облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость» 84
3.5. Выводы к главе 3 91
Заключение. Основные результаты диссертации 92
Литература 94
4
Введение
Основные идеи и актуальность исследований.
Одним из актуальных направлений исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом является исследование абляции различных материалов и изучение её механизмов. Под термином «лазерная абляция» понимается широкий класс процессов, результатом которых является удаление вещества твёрдого тела, таких как лазерное испарение, лазерное распыление и т.п. [11. Исследование абляционных процессов превратилось в самостоятельный раздел физики взаимодействия лазерного излучения с веществом [1-5]. Наиболее полно к настоящему' времени исследована абляция твёрдых тел в газах и в вакууме. Абляция твёрдых тел в жидкостях исследована в значительно меньшей степени. Можно ожидать, что процессы, протекающие в жидкости при лазерном воздействии на границу её раздела с твёрдым телом, будут оказывать влияние как на скорости, так и на механизм абляции. В диссертации исследуется абляция твёрдого тела при лазерном облучении его границы раздела с жидкостью.
При воздействии на границу раздела «жидкость/твёрдое тело» лазерное излучение может поглощаться как твёрдым телом, так и жидкостью. Выбором сред с подходящими коэффициентами поглощения оказывается возможным реализовать два предельных случая. Первый случай - облучение поверхности поглощающего лазерное излучение твёрдого тела сквозь прозрачную жидкость, второй случай -лазерное облучение поглощающей жидкости сквозь прозрачное твёрдое тело. В обоих случаях при воздействии на границу раздела сред происходит нагрев, а также может происходить испарение слоя жидкости, находящегося вблизи
5
поверхности твёрдого тела. Если при облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость» на!рсв и испарение жидкости происходит непосредственно за счёт поглощения в ней энергии лазерного излучения, то при облучении границы раздела «прозрачная жидкость/поглощающее твёрдое тело» нагрев и испарение жидкости осуществляются за счёт процессов переноса тепла от нагретого лазерным излучением твердого тела к жидкости.
Воздействие лазерного излучения на поглощающую жидкость или на твёрдое тело в жидкости вызывает тепловые и гидродинамические возмущения равновесного состояния, сопровождающиеся генерацией в жидкости звука [6,7]. В зависимости от плотности поглощённой энергии основными механизмами возбуждения звука в жидкости являю гея её тепловое расширение, а также поверхностное и объёмное испарение [8]. При плотностях поглощённой энергии, не превышающих скрытую теплоту испарения жидкости, основной вклад в процесс генерации звука даёт тепловое расширение [9,10].
Более сложная картина наблюдается при плотностях поглощённой энергии, превышающих скрытую теплоту' испарегшя жидкости. Лазерное излучение практически полностью поглощается в тонком приповерхностном слое жидкости толщиной порядка а'1, где а. [см'1] - коэффициент поглощения излучения. Поглощение излучения соггровождается нагревом жидкости до температуры кипения и парообразованием. В результате быстрою расширения парогазовой полост и (пузырька) под действием давления паров происходит генерация импульса давления в жидкости. В отличие от теплового механизма генерации звука, при котором коэффициент преобразования энергии лазерггого излучения в
6
акустическую энергию составляет сотые доли процента, при испарительном механизме генерации коэффициент преобразования энергии в сотни раз выше и достигает нескольких процентов [11]. Экспериментальные данные подтверждают вывод о том, что испарительный механизм отвечает за эффективную генерацию звука в жидкости при поглощении в ней интенсивного лазерного излучения [12].
Воздействие лазерным излучением на границу раздела «прозрачная жидкость/поглощающее твёрдое тело» также приводит к нагреву жидкости и может вызывать её испарение и образование в ней пузырьков. При такой схеме лазерного воздействия происходит нагрев и взрывное испарение слоя жидкости, находящегося вблизи от поверхности твёрдого тела, нагреваемой лазерным облучением до высоких темперагур. При таких условиях нагрева, как и при непосредственном воздействии лазерного излучения на поглощающую жидкость, также наблюдается генерация в жидкости звука [13].
Амплитуда импульсов давления, возникающих в жидкости при импульсном лазерном облучении её границы раздела с твёрдым телом, может достигать единиц килобар и более [14,15]. Амплитуда импульса давления определяется параметрами лазерного излучеггия, оптическими и теплофизическими свойствами жидкости и твёрдого зела. В обоих случаях генерация импульса давления происходит в жидкости в непосредственной близости от поверхности твёрдого тела. Можно ожидать, что импульс давления с большой амплитудой будет оказывать механическое воздействие на поверхность твёрдого тела, вплоть до её разрушения.
Лазерное воздействие на поверхность твёрдого тела с достаточно высокой плотностью энергии при облучении границы раздела «прозрачная
7
жидкость/поглощающее твёрдое тело» может вызывать абляцию твёрдого тела [16-23]. Воздействие импульсов давления, возникающих при лазерном облучении границы раздела жидкости с твёрдым телом, на поверхность твёрдого тела может оказывать существенное влияние на процесс абляции. Исследование влияния жидкости на процесс абляции в диссертации изучается на примере абляции поликристаллического карбида кремния импульсным лазерным излучением наносекундной длительности. Выбор поликристаллического карбида кремния в качестве объекта исследований был связан с тем, что его механические свойства, в отличие от монокристаллов, изотропны.
Воздействие лазерного излучения на границу раздела «прозрачное твёрдое тело/пог лощающая жидкость» рассматривается на примере импульсного лазерного облучения границы раздела «сапфир/'поглощающая жидкость». В экспериментах использовались сильнопоглощающие жидкости с коэффициентами поглощения на длине волны лазерного излучения а ~ 200-500 см'1. Как показано в диссертации, воздействие импульсного лазерного излучения наносекундной длительности на границу раздела «сапфир/поглощающая жидкость» может приводить к абляции поверхности сапфира. Причиной разрушения является воздействие на поверхность сапфира импульсов давления, возникающих при поглощении в жидкости лазерного излучения. В диссертации для объяснения процессов абляции, происходящих при лазерном облучении границ раздела «прозрачная жидкость/поглощающее твёрдое зело» и «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость», привлекаются результаты исследований по оптическому возбуждению звуковых волн в жидкости.
8
Абляция прозрачных твёрдых тел при лазерном облучении границы раздела «прозрачное твёрдое тело/иоглощающая жидкость» ранее не исследовалась.
В диссертации показано, что импульсное лазерное облучение границы раздела «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость» при использовании в качестве поглощающих жидкостей водных растворов СгОз, РеСЬ и КМ1Ю4 может приводить не к абляции твёрдого тела, а к осаждению на его поверхности пленок. Эффект осаждения плёнок на поверхности прозрачного твердого гела при лазерном облучении его границы с поглощающей жидкостью является новым, не исследованным ранее эффектом. В работе определяются условия роста плёнок, а также исследуются механизм роста и кристаллическая структура плёнок. Актуальность изучения эффекта осаждения обусловлена не только общефизическим интересом к этому новому явлению, но и возможностью его применения в процессах роста плёнок с использованием лазерного излучения, активно исследуемых в последние годы.
Целью диссертационной работы являлось исследование абляции твёрдого тела, происходящей при воздействии импульсного лазерного излучения наносекундной длительности на границы раздела «прозрачная жидкость/поглощающее твёрдое тело» и «прозрачное твёрдое тело/поглощающая жидкость», а также исследование осаждения плёнок на поверхности твёрдого тела при воздействии лазерного излучения на границу раздела «прозрачное твёрдое тело/иоглощающая жидкость».
Для достижения этой цели решались следующие задачи: