Абляция и свеллинг полимероподобных сред при воздействии лазерных импульсов в полосе поглощения

• Автор: Малышев, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 164 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА Е ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР: АБЛЯЦИЯ И СВЕЛЛИНГ МАТЕРИАЛОВ
§1.1 Микрообработка и микроструктурирование материалов § 1.2 Лазерная абляция полимеров § 1.3 Свеллинг полимероподобных материалов ГЛАВА 2. ПОВЕРХНОСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ СИЛЬНОПОГЛОЩАЮЩИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ УЛЬТРАКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ § 2.1 Формулировка поверхностной термической модели лазерной абляции применительно к воздействию ультракоротких импульсов § 2.2 Расчет населенностей уровней после воздействия импульса § 2.3 Оценка процессов ионизации диэлектрика § 2.4 Методика численного расчета
§ 2.5 Результаты расчета лазерной абляции диэлектрика при воздействии ультракоротких импульсов. Два режима лазерной абляции.
ГЛАВА 3. ЛАЗЕРНАЯ АБЛЯЦИЯ СИЛЬНОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОЛИМЕРОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ: ПОВЕРХНОСТНАЯ ФОТОФИЗИЧЕСКАЯ И ОБЪЕМНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ § 3.1 Поверхностная фотофизическая модель лазерной абляции
полимероподобных материалов при воздействии ультракоротких импульсов
3.1.1 Особенности кинетики абляции при одно- и двухимпульсном
воздействии
3.1.2 Особенности динамики фотофизической лазерной абляции
§ 3.2 Объемная термическая модель лазерной абляции полимероподобных материалов при воздействии ультракоротких импульсов

3.2.1 Формулировка модели
3.2.2 Результаты расчетов лазерной абляции полимера при воздействии одного и двух ультракоротких импульсов
3.2.3 Исследование динамики лазерной абляции для объемной термической модели
§ 3.3 Определение механизма лазерной абляции по ее динамике
§ 3.4 Влияние нестационарных механических напряжений на лазерную
абляцию
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СВЕЛЛИНГ А МЯГКОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ Ж ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
§ 4.1 Методика экспериментального исследования
§ 4.2 Режимы свеллинга биоткани
§ 4.3 Модель свеллинга биоткани
§ 4.4 Исследование релаксационной динамики свеллинга биоткани
4.4.1 Модель с учетом теплопроводности и испарения воды
с поверхности биоткани
4.4.2 Модель с учетом эффективного теплопереноса в пористой
области биоткани
§ 4.5 Результаты расчетов динамики свеллинга биоткани и сравнение их
с экспериментом
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Различные аспекты воздействия лазерного излучения на вещество являются предметом научных исследований в течение последних нескольких десятилетий [1-13]. Выделяют два противоположных эффекта по результату воздействия лазерного излучения - это лазерная абляция и свеллинг, которые применяются для обработки и микроструктурирования поверхности материалов. Интерес, связанный с этими эффектами, вызван прежде всего стремительным ростом потребностей микроэлектроники, интегральной оптики, телекоммуникаций и нанотехнологий, где используется точная и контролируемая микрообработка материалов.
Лазерная абляция, как удаление вещества с поверхности материала под действием лазерного излучения, приводит к образованию углубления (кратера) в области воздействия. Применение пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов в отличие от наносекундных позволяет получать микроструктуры субмикронных размеров без повреждения прилегающих слоев материала. Технология микроструктурирования ультракороткими импульсами (УКИ) не имеет аналогов в получении отверстий субмикронного размера, а также в обработке поверхности диэлектриков, в том числе полимеров. Использование ультракоротких импульсов ультрафиолетового (УФ) диапазона позволяет уменьшать получаемые структуры в результате более качественной абляции, происходящей при меньших плотностях энергии в импульсе. Лазерная абляция применяется для изготовления литографических масок и дифракционных решеток, обработки резистивных и диэлектрических полимерных пленок, пленок металлов и полупроводников для производства микросхем, сопел струйных принтеров и инжекторных двигателей и др.
В отличие от абляции, свеллинг представляет собой разбухание вещества в области, подвергшейся лазерному облучению, и приводит к образованию выпуклости на поверхности материала. Лазерные микротехнологии, основанные на эффекте свеллинга, способны создавать тонкие выпуклые

газообразных продуктов при фотолитической экзотермической деструкции полимера под воздействием низкоэнергетичного УФ лазерного импульсного излучения.
Альтернативным направлением микрообработки поверхности являются процессы свеллинга материалов, которые приводят к получению контролируемых выпуклостей поверхности материала. Процесс свеллинга приводит к противоположному эффекту, чем абляция. В результате свеллинга после воздействия образуется выпуклость, а не углубление (кратер). Другое отличие свеллинга от абляции состоит в том, что этот процесс характеризуется меньшей энергией в импульсе, чем пороговая энергия для абляции этого материала. Процесс свеллинга с его отличительными особенностями является перспективным для микротехнологий, т.к. он не вызывает существенного разрушения материала, а только его модификацию. Технологии, основанные на таких процессах, способны создавать тонкие (микронные) выпуклые рельефы на поверхности, например, полимеров. В [125, 126] демонстрируются выпуклые (колокообразные) области на поверхности полимеров, полученные при контролируемом воздействии лазерных импульсов. Такие структуры используются как микролинзы в интегральной оптике. Матрица таких микролинз получена в [125].
Свеллинг наблюдался на различных материалах (металлы, полупроводники, полимеры, биоткани). Будем рассматривать свеллинг на полимероподобных материалах, которые наиболее технологичны. В последнее время в мире процесс свеллинга полимеров активно изучается несколькими группами ученых [125-134]. Работы посвящены применению свеллинга для создания выпуклых топологических рисунков на поверхности в интегральной оптике, а также выяснению механизмов свеллинга. Свеллинг полиимидной пленки был обнаружен в работах [120, 121], где исследовалась абляция этого материала парой интерферирующих пучков. Эффект свеллинга наблюдался в доабляционном режиме воздействия или в областях, где плотность энергии в