Селективное испарение при лазерной абляции многокомпонентных сплавов в воздухе

• Автор: Леднев, Василий Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 166 с. : ил.

Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Лазерная абляция
1.2 Спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы
1.3 Определяющие параметры лазерного излучения для спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы ..23 13 1 Влияние длины волны, длительности импульса, плотности энергии на свойства плазмы и результаты анализа в спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы
13 2 Влияние профиля лазерного пучка на лазерную абляцию
13 2 1 Качество лазерного пучка и методы его оценки
13 2 2 Влияние профиля лазерного пучка на свойства плазмы
13 3 Двухимпулъсный режим воздействия и его влияние на свойства лазерной плазмы
13 3 1 Сравнение факторов действия одного и двух импульсов
1 3 3 2 Влияние экспериментальных параметров на увеличение интенсивности линий в спектре
1.4 Селективное испарение при лазерной абляции
14 1 Определение селективного испарения
14 2 Методы исследования селективного испарения
14 2 1 Импульсное лазерное осаждение
14 2 2 Лазерная абляция для пробоотбора вещества для элементного анализа
1 4 2 3 Спектроскопия лазерно-индуцированной плазмы
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
2.1. Экспериментальная установка для спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы
2.2 Двухимпульсный и одноимпульсный режим работы неодимового лазера на алюмо-иттриевом гранате 59 221 Двухимпульсный режим генерации
2 2 2 Управление параметрами первого и второго импульсов лазера
2.3 Управление режимом наносекундной/пикосекундной генерации неодимового лазера на алюмо-иттриевом гранате с модулятором Поккельса без изменения числа элементов резонатора
2 3 1 Управление режимом наносекундной/пикосекундной генерации Nd АИГлазера
2 3 2 Генерация двух цугов пикосекундных импульсов с микросекундной задержкой
2.4 Измерение параметра М2 качества лазерного пучка
2.5 Профили сечения одномодового и многомодового пучков в разных режимах работы лазера
2 5 1 Свойства лазерных пучков в ближнем и дальнем поле
2 5 2 Фактор сглаживания поперечного профиля пучка оптическим усилителем
2 4 3 Свойства пучков при двухим пульс ном режиме работы лазера
2.6 Дифракционный спектрограф и ПЗС-матрица с усилителем яркости
2.7 Измерение кратеров
2.8 Стандартные образцы
ГЛАВА 3. СЕЛЕКТИВНОЕ ИСПАРЕНИЕ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ
3.1 Модель селективного испарения при лазерной абляции
3.1.1 количественное определение селективного испарения
3.2 Безэталонный метод спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы
3.3 Экспериментальное обоснование механизма селективного испарения
3 3 1 Бронзы
3 3 2 Алюминиевые сплавы
3 3 3 Нержавеющие стали
3.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И АНАЛИЗ СОСТАВА МИШЕНИ
4.1 ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА СОСТАВА МИШЕНИ ПО СПЕКТРУ ПЛАЗМЫ: ОДНОМОДОВЫЙ И МНОГОМОДОВЫЙ ПУЧКИ
4 11 Морфология лазерных кратеров
4 12 Свойства лазерной плазмы для одномодового и многомодового лазерных пучков
4 12 1 Эволюция спектров лазерной плазмы

4 12 2 Температура и электронная плотность 1 Об
4 13 Влияния профиля пучка на аналитические возможности спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы 112 413 1 Способы лазерного пробоотбора
4 13 2 Выбор оптической схемы сбора излучения плазмы
4 1 5 Градуировочные графики
4 1 6 Выводы
4.2. ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА СОСТАВА'
ОДНОМОДОВЫЙ И МНОГОМОДОВЫЙ ПУЧКИ С ОПТИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ
4 2 1 Морфология лазерных кратеров
4 2 2 Свойства лазерной плазмы для одномодового и многомодового лазерных пучков
4 2 3 Сравнение аналитических возможностей спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы
4 2 4 Выводы
4.3 ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА СОСТАВА' ОДНОМОДОВЫЙ И МНОГОМОДОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ В ДВУХИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
43 1 Морфология лазерных кратеров
4 3 2 Сравнение свойств лазерной плазмы для одномодового и многомодового пучков
4 3 3 Влияния профиля пучка на аналитические возможности спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы 137 Выводы
4.4 Свойства плазмы при лазерной абляции наносекундными и цугом пикосекундных импульсов
4 4 1 Морфология лазерных кратеров
4 4 2 Сравнение свойств лазерной плазмы
4 4 3 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
1 Программное обеспечение для управления ПЗС-камерой DragonFly2
2 Оптимизация работы лазера в двухимпулъсном режиме
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Принятые обозначения
Арк, - коэффициент Энштейна (с'1);
с - скорость света в вакууме (м/с)
С, - массовая доля /-го компонента в исходном образце, (масс. %);
<У - диаметр пятна фокусировки
И - диаметр линзы;
ЕР, - энергия р - уровня (эВ);
£5_| - энергия ионизации частицы в £~/ ионизированном состоянии для изолированной системы, (эВ);
да-*-' - поправка для энергии ионизации, описывающая взаимодействие ионов с плазмой, (эВ);
Е0 - плотность энергии лазерного пучка;
Е - фокальное расстояние линзы;
gp - статистический веср - уровня;
И - постоянная Планка;
Рк, - интенсивность линии переходар-к для / - го перехода;
к - постоянная Больцмана;
£ - длина резонатора
М, - молярная масса, (г/моль);
те - масса электрона;
Ме - электронная плотность, (1/см3)
п, - количество вещества / - компонента в плазме (моль);
я* - количество вещества частиц в 5 - ионизированном состоянии, (моль);
мрк1 - частота перехода р-к (с'1);
/ - время, (с)
Т - температура (К);
А/ - задержка между первым и вторым импульсами в двухимпульсном режиме;
УХ - диаметр произвольного пучка;
2,(Г) - сумма по состояниям частицы при температуре Т;
Я - длина волны излучения;
сРу - второй момент пространственного распределения профиля интенсивности пучка;
со0 - размер перетяжки пучка;
г - длительность лазерного импульса

где <9* -расходимость произвольного пучка, во -расходимость одномодового пучок. Размер перетяжки произвольного пучка будет описываться следующим выражением:

М* Л(г - г0)
1.3.2.2 Влияние профиля лазерного пучка на свойства плазмы
Исследование влияния свойств лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, плотность мощности на поверхности образца, частота следования импульсов и т.д.) было проведено в многочисленных работах [2,3,16,18,19]. В то же время влияние профиля лазерного пучка на свойства плазмы и метрологические характеристики спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы детально не изучали. Как правило, в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы применяют импульсные твердотельные лазеры Ш:АИГ поскольку данный тип лазеров обеспечивает достаточную плотность мощности для создания лазерной плазмы, и при этом отличается высокой стабильностью свойств лазерного излучения в течение длительного периода эксплуатации. Данные лазеры могут работать в разных режимах: одномодовый и многомодовый режим генерации, одноимпульсный и двухимпульсный режим. Как правило, для разных областей лазерной спектроскопии оптимальным режимом является одномодовый одночастотный режим работы лазера, что связано с высокой воспроизводимостью свойств лазерного пучка и возможностью заранее описать распределения поля пучка в любой точке оптического пути [50,60]. В то же время для спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы данный выбор не очевиден. При выборе одномодового режима генерации лазера будет достигнута высокая стабильность генерации. Воспроизводимость свойств лазерного пучка будет также высокой, что приведет к повышению стабильности условий формирования плазмы и повышению воспроизводимости свойств плазмы. В результате повышается воспроизводимость интенсивности регистрируемых атомных и ионных линий в спектре плазме, т.е. увеличивается стабильность сигналов, и повышается точность анализа состава образца. Одномодовый пучок можно сфокусировать в дифракционно-ограниченное пятно, что позволит достичь большей плотность мощности лазерного излучения или повысить пространственное разрешение при картировании распределения элементов на поверхности образца. В то же время при выборе одномодового режима работы лазера энергия лазерного импульса уменьшится в десять (и более) раз. Таким образом, меньшее количество энергии будет израсходовано на лазерную абляцию образца и возбуждение атомов и ионов в лазерной плазме. В результате будут получены меньшие сигналы и снижена чувствительность определения примесей. Для лазерного источника на основе одного резонатора (например, компактная система) выбор способа лазерной генерации драматически скажется на свойствах