Воздействие импульсного лазерного ультрафиолетового и инфракрасного излучения на полимеры и жидкие металлы

• Автор: Шулепов, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 151 с. : ил.

Оглавление
Введение
Т епловая модель
Динамика лазерной абляции
Субпикосекундная лазерная абляция
Гидродинамическая модель
Фотофизическая абляция
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И СХЕМЫ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
1.1. Эксперимент по определению зависимости оптических
параметров тефлона от температуры
1.2. Эксперимент по определению зависимости размера частиц
тефлона от температуры
1.3. Описание эксперимента по исследованию динамики плазменного
факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида
1.4. Описание эксперимента по исследованию спектральных
характеристик плазменного факела создаваемого на поверхности полиметилметакрилата, и полиамида
1.5 Описание эксперимента по исследованию воздействия лазерного
излучения на жидкие металлы
Глава 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С02 ЛАЗЕРА С
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОБРАЗЦА
2.1. Результаты эксперимента по определению коэффициента
пропускания тефлона
2.2. Результаты экспериментов по напылению тефлона
2.3. Воздействие излучением Хе-лазера на тефлон
2.4. Воздействие излучения С02-лазера на
полиметилметакрилат
2.5 Обсуждение экспериментов и выводы

Глава 3. В ЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЕ С
ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТОМ И ПОЛИАМИДОМ
3 Л. Динамика плазмы при воздействии импульсного ИК излучения на
полиметилметакрилат
3.2. Спектральные и временные характеристики плазмы создаваемой на поверхности полимеров лазерным
излучением
3.3. Моделирование процессов происходящих в плазме
индуцированной лазерным излучением
3.4 Результаты моделирования и выводы
Глава 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИДКИЕ
МЕТАЛЛЫ
4.1. Результаты экспериментов по модификации поверхности жидких
металлов
4.2. Теоретический анализ и обсуждение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Актуальность работы. Использование лазерного излучения как инструмента взаимодействия с окружающей нас средой благодаря широкому диапазону энергетических временных и пр. характеристик позволило сделать большой шаг во многих областях науки и техники. Появилась возможность реализации новых бесконтактных методик диагностики материалов, их модификации, как то: лазерный спектральный анализ, лазерная микроскопия и оптическая томография [1-4]. Лазерное излучение позволяет сваривать, резать, спаивать различные материалы, причем с качеством швов, намного превышающим получаемые другими методами [5-8]. Благодаря лазерам стало возможным точно измерять расстояния и определять местоположения объектов [9]. Лазерное излучение используется для легирования, упрочнения материалов [8]. Оно минимизирует механическое воздействие на обрабатываемые детали и тем самым не вызывает их деформацию. Лазеры используются в химии для диагностики процессов и управления ими [10, 11]. Благодаря лазерному скальпелю резко уменьшается время регенерации тканей прооперированных органов, тем самым уменьшается время излечения больных [12]. На сегодняшний день невозможно представить микроэлектронику без лазера [13]. В общем, сегодня трудно найти область науки или техники, где, по крайней мере, не было попытки использования лазерного излучения. Однако с момента появления лазеров в связи с их универсальностью и широкими возможностями в применении лазерного излучения перед исследователями появилось необозримое поле деятельности. Многие вопросы решены, многое уже изучено, на что указывает сам факт широты использования лазерного излучения. Тем не менее, ряд проблем требует своего изучения. Так, в литературе мало работ, посвященных взаимодействию лазерного излучения с веществами, находящимися в отличных от обычного состояниях. Например, практически отсутствуют работы, в которых бы исследовался вопрос взаимодействия лазерного излучения с переохлажденными или перегретыми веществами. Действительно, на первый взгляд здесь не может возникнуть никаких вопросов, поскольку известно, что в точке воздействия лазерного излучения на материал температура может достигать десятков тысяч градусов, и

На рисунке 1.4 представлена динамика нагрева металла лазерным импульсом С длительностью /р, = 1 пс и плотностью энергии в импульсе Ф = 0,15 Дж см'2 (форма импульса моделировалась уравнением (2.14)). Как видно из рисунка 1.4а, в течение лазерного импульса электронная температура Те "отрывается" от решеточной температуры 7} и достигает максимума в момент ? « 1,8 пс. Характерное время нагрева решетки существенно длиннее (это следует из соотношения с/// > с//и = г); фононная температура достигает максимума при 1 ~ 27,2 пс. При этом характерные масштабы 1е и /, (рисунок 1.46) увеличиваются со временем приблизительно по закону теплопроводности, т.е. пропорционально V/. Для больших времен различие между 1е и /, становится несущественным, но даже для времен ?~100 пс различие в масштабах еще заметно: 1е> /; (поскольку ке > *-,)
Приведенные на рисунке 1.4 результаты показывают, что метод правильно отражает качественные особенности задачи, найденные, например, в работе [70]. Имеется, однако, и существенное преимущество: метод моментов позволяет быстро вычислять позднюю стадию процесса, что существенно для описания абляции. Из рисунка 1.5а видно, что абляция завершается на временах порядка 1 не (это примерно в 103 раз длиннее лазерного импульса). В традиционных экспериментах измеряется толщина слоя аблированного за импульс материала как функция плотности энергии в импульсе. Именно эту зависимость трудно рассчитать обычными численными методами.
Типичный эффект зависимости кинетики абляции от длительности лазерного импульса иллюстрирует рисунок 1.56. Для длинного (наносекундного) лазерного импульса абляция нечувствительна к скорости обмена энергией между решеткой и электронами.
При г < 1 пс кривые совпадают с результатами, следующими из чисто тепловой модели абляции с единой температурой электронов и решетки. Для коротких (пикосекундных) лазерных импульсов соответствующие кривые чувствительны к характерному времени релаксации т. При т —» 0 (случай чисто