Исследование импульсной лазерной абляции органических полимеров в ИК диапазоне длин волн на примере полиметилметакрилата

• Автор: Захаров, Лев Александрович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 101 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Краткая история лазерной абляции и области ее приложений

1.2 Лазерная абляция полимеров

1.3 Существующие модели импульсной лазерной абляции полимеров

Глава 2. Поверхностная фототермическая модель импульсной лазерной абляции

полимеров в ИК диапазоне длин волн

2.1 Постановка задачи

2.2. • Основные положения модели

2.3 Скорость фронта абляции

2.4 Объемный источник энергии
2.5 Полиметилметакрилат как объект исследования
2.6 Энергобаланс лазерного излучения при лазерной абляции ПММА
2.7 Численная схема
Глава 3. Абляция ПММА излучением лазера на свободных электронах
3.1 Особенности режимов излучения ЛСЭ
3.2 Замена импульсного режима постоянным источником лазерного излучения
3.3 Результаты моделирования
3.4 Заключение по главе
Глава 4. Исследование абляции ПММА импульсами ССЬ-лазера
на длине волны 9,17 мкм в азоте
4.1 Анализ экспериментальных данных
4.2 Результаты моделирования
4.2.1 Динамика изменения температуры образца, скорость испарения
и глубина абляции
4.2.2 Энергобаланс лазерного штульса и колебательное возбуждение продуктов абляции
4.3 Фототермическая модель как основа гидродинамического моделирования
4.4 Заключение по главе

Глава 5. Исследование абляции ПММА и меди импульсами С02-лазера на длине
волны 10,6 мкм
5.1 Модификация системы уравнений для описания меди
5.2 Сравнительный анализ абляции ПММА и меди при различных
начальных температурах
5.3 Заключение по главе
Глава 6. Абляция ПММА в кислородосодержащей атмосфере:
эффекты экранирования
6.1 Постановка задачи
6.2 Разработка модели плазменного экранирования при абляции
ПММА в воздухе
6.3 Результаты моделирования с учетом плазменного экранирования
6.4 Эффект «плазменной трубы»
6.5 Заключение по главе
Заключение
7.1 Основные результаты диссертационной работы
7.2 Практическая ценность
7.3 Список работ по теме диссертации
7.4 Благодарности
Литература
Список обозначений
Список используемых сокращений

Введение
Импульсная лазерная абляция в последние годы привлекает' большой интерес с точки зрения исследований фундаментальных процессов в веществе в экстремальных условиях сверхбыстрого подвода энергии. С момента первых экспериментов по лазерной абляции полимеров теоретические и экспериментальные исследования воздействия лазерного излучения на полимерные материалы стали важной и быстро развивающейся областью микро- и нанотехнологий. Важным достоинством импульсной лазерной обработки материалов являются бесконтактность метода и возможность достижения высокой чистоты обрабатываемой поверхности. Взаимодействие лазерного излучения с полимерами является сложным многофакторным процессом, характеризующимся такими особенностями как химическая деградация материала, сложный спектр поглощения, возможность избирательного разрыва связей в полимерной цепи при одних режимах воздействия или же нерезонансное поглощение и тепловая деградация при других, возможность протекания сложных химических реакций взаимодействия продуктов абляции между собой и с окружающей атмосферой, эффекты экранирования падающего излучения. Эти особенности приводят к реализации принципиально новых эффектов при абляции, которые представляют самостоятельный фундаментальный интерес. В настоящее время импульсная лазерная абляция полимерных материалов (ИЛА Г1М) изучена далеко недостаточно. Разработан ряд моделей ИЛА ПМ, которые можно разделить на 3 класса: 1) фотохимические, 2) фототермические и 3) комбинированные, включающие особенности первых двух классов. Ключевая проблема моделирования заключается в сложности структуры полимерных материалов и в их огромном разнообразии, что обуславливает применимость тех или иных приближений и необходимость доработки существующих модельных представлений. Теоретические же модели процессов, происходящих в облаке продуктов абляции при их взаимодействии с газовой средой, находятся на стадии разработки, однако они исключительно важны для определения общих закономерностей процесса ИЛА ПМ и поиска новых эффективных режимов лазерной обработки полимеров. Таким образом, актуальность изучения механизмов и динамики лазерной абляции полимеров определяется как потребностями фундаментальных исследований поведения сложных полимерных соединений в условиях быстрого ввода энергии, так и многочисленными важными практическими приложениями.

время между импульсами, и нагрев осуществляется всякий раз на фиксированную величину (порядка 0,02 К), напрямую зависящую от величины вложенной в импульс плотности энергии /•о. Тем не менее, за одинакой период времени образцы в итоге приходят к одному и тому же состоянию: одинаковая температура поверхности, что должно приводить к одинаковому уровню испаренного вещества.

“Г 300.

СО О.
С 300.04 2 1) н

О 0.5 1 1,
Время [мкс]
Рис. 8 Температура поверхности образца ПММА при моделировании импульсного режима облучения ЛСЭ (1) и равномерного непрерывного воздействия эквивалентной мощности (2). Сравнение для пяти (а) и ста (б) импульсов
По мере увеличения числа импульсов различие уровня 0,02 К в динамике нагрева и испарения становятся не существенными. На Рис. 86 приведены результаты моделирования скорости испарения, определяемой температурой поверхности (уравнение (6)), для 100 импульсов ЛСЭ и эквивалентного им режима постоянного подвода энергии.
Следует заметить, что данные моделирования непрерывного воздействия получены при шаге по времени приблизительно в 105 - 106 раз большем, чем при моделировании импульсов ЛСЭ. Соответственно, один вариант расчета нагрева материала воздействием непрерывного лазера требует примерно в миллион раз меньше компьютерного времени, чем при моделировании импульсно-периодического воздействия, при той же достоверности получаемых данных. Таким образом, можно утверждать, что при моделировании динамики испарения ПММА (и других материалов с низкой теплопроводностью) с помощью лазера на свободных электронах СЦФИ СО РАН импульсно-периодический режим облучения можно

Время [мкс]