Теоретическое исследование механизмов и динамики фемтосекундной лазерной абляции

• Автор: Бураков, Игорь Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Глава 1. Фемтосекундная лазерная абляция: физические основы и приложения
1.1. Воздействие лазерного излучения на вещество и его применения
1.2. Фемтосекундная лазерная абляция как одно из самых перспективных направлений импульсной лазерной абляции
1.3. Механизмы и динамика фемтосекундной лазерной абляции твердых материалов
1.4. Проблемы, стоящие перед теорией ультракороткой лазерной абляции
Глава 2. Формирование и динамика ударных волн разрежения в условиях, типичных для фемтосекундной лазерной абляции
2.1. Гипотеза о формировании ударных волн разрежения при испарении материалов.ультракороткими импульсами
2.2. Моделирование УВР при расширении в вакуум ограниченного объема вещества
2.2.1. Постановка задачи
2.2.2. Определение области существования УВР и выбор начальных параметров
2.2.3. Результаты моделирования расширения сверх критического
вещества в вакуум
2.2.4. О возможности формирования УВР в других системах
2.3. Исследование формирования и динамики УВР при распаде разрыва с использованием различных уравнений состояния
2.3.1. Постановка задачи
2.3.2. Определение границ аномальной области и выбор начальных параметров
2.3.3. Результаты моделирования динамики_волн_разрежения и сжатия в трубе

2.4. Заключительные замечания

Глава 3. Нагрев металлов фемтосекундными импульсами лазерного излучения: условия реализации фазового взрыва
3.1. Фазовый взрыв
3.2. Динамика нагрева металлических мишеней ультракороткими лазерными импульсами
3.3. Характеристики вещества быстро нагретого в околокритическую область
3.4 Тепловая модель абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами
3.4.1. Последовательные стадии нагрева металлов фемтосекундными лазерными импульсами
3.4.2. Определение начальных и граничных условий
3.5. Различные пути реализации метастабильного состояния расплава
3.6. Основные результаты и выводы
Глава 4. Взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов с прозрачными диэлектриками в применении к проблеме структурирования поверхностей материалов
4.1. Особенности фемтосекундной лазерной абляции диэлектриков
4.2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с прозрачными диэлектриками
4.3. Результаты моделирования процесса облучения диэлектрических мишеней последовательностями фемтосекундных лазерных импульсов
4.4. Выводы и заключительные замечания
Заключение Список литературы

Представленная работа посвящена изучению процессов, происходящих при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности с веществом. Фемтосекундная лазерная техника в настоящее время широко используется и имеет большой потенциал для применений в различных лазерных технологиях, а также представляет интерес для исследований фундаментальных явлений в конденсированных средах. В работе рассматриваются режимы, приводящие к удалению вещества с поверхности облучаемого материала (лазерной абляции).
Исследование механизмов и процессов лазерной абляции началось вместе с изобретением первых лазеров, когда было осознано, что материалы различного типа (диэлектрики, полупроводники, металлы и различные композиты) по-разному реагируют на воздействие лазерного излучения, что может быть использовано в различных технологических целях. Кроме того, по мере развития лазерной техники возникала потребность в разработке компонентов оптических систем, стойких к воздействию мощного лазерного излучения. Все эти факторы привели к необходимости исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Уже тогда стало ясно, что появился новый мощный инструмент научных исследований, и были определены основные приложения лазерной абляции в различных технологиях. В настоящее время круг этих приложений непрерывно растет, что связано с развитием новых лазерных систем и достижением все большей мощности лазерного импульса и меньшей его длительности. Далеко не полный спектр области применений импульсной лазерной абляции включает сварку, резку, сверление, очистку и структурирование твердых поверхностей, напыление тонких пленок, синтез новых наноматериалов, изготовление компонентов микроприборов, различные применения в медицине (офтальмология, дерматология, клеточная хирургия) и др.
Кроме того, импульсная лазерная абляция является мощным научным инструментом и представляет самостоятельный научный интерес. Она открывает новые возможности изучения протекания химических реакций в реальном временном масштабе, исследования неравновесной термодинамики и проявления критических явлений в сверхбыстрых процессах, лабораторного моделирования процессов в звездных атмосферах при вспышках новых и сверхновых звезд.
Механизмы и динамика лазерной абляции зависят от параметров лазерного импульса (длина волны, интенсивность, длительность импульса, угол падения на облучаемую поверхность, поляризация) и свойств облучаемого материала (состав,
х/и
Рис. 2.11. Последовательные стадии динамики распада разрыва. Показано формирование волн разрежения и сжатия, их эволюция в трубе, отражение от боковых стенок и их первая встреча для уравнения состояния Мартынюка (вещество эволюционирует вдоль адиабаты 1 на Рис. 2.8).