Устойчивость поверхности материалов при интенсивном лазерном воздействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, доктор физико-математических наук Токарев, Владимир Николаевич

• Токарев, Владимир Николаевич
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Токарев, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Общая характеристика работы

1. Актуальность работы и постановка задачи.,.

2. Цель диссертационной работы.

3. Научная новизна работы.

4. Научная и практическая ценность работы

5. Личный вклад автора.

6. Апробация результатов работы.

7. Структура и объем работы.

§ 2. Содержание работы.

Список цитированной во введении литературы.

Список основных публикаций по диссертации.

Глава

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ПЛАВЛЕНИИ. ПРИМЕНЕНИЯ К ПЛАНАРИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ, СГЛАЖИВАНИЮ СВЕРХТВЕРДЫХ КЕРАМИК И ЧИСТОЙ ОБРАБОТКЕ ПОЛИМЕРОВ

§ 1.1 Введение.

§1.2 Обзор литературы и постановка задачи исследования.

§ 1.3 Эволюция глубины расплава для поверхностного источника нагрева в течение лазерного импульса.

1.3.1 Температурное поле внутри расплава.

1.3.2 Вычисление глубины расплава.

§ 1.4 Изменение глубины расплава для поверхностного источника нагрева после лазерного импульса.

§ 1.5 Глубина расплава для объемного источника нагрева.

§ 1.6 Обсуждение и сравнение с экспериментами.

§ 1.7 Взрывной механизм удаления материала без испарения из-за релаксации термически-индуцированного внутреннего напряжения.

§ 1.8 Общий подход к проблеме поиска условий устойчивости поверхности при лазерном плавлении без испарения.

§ 1.9 Облучение металлов, полупроводников и керамик (материалы с высокой температуропроводностью и высоким коэффициентом поглощения).

1.9.1 Расплав бесконечной глубины

1.9.2 Учет конечной глубины и конечного времени жизни расплава.

1.9.2.1 Оценка времени жизни расплава.

1.9.2.2 Оценка величины «замороженных» периодов.

1.9.3 Подавление термокапиллярной неустойчивости при облучении короткими импульсами.

§ 1.10 Сравнение модели с экспериментами по лазерному плавлению и планаризации металлов.

§1.11 Сравнение с экспериментами по лазерному сглаживанию керамик нитрида алюминия и карбида кремния.

§ 1.12 Облучение полимеров и керамик (материалы с низкой температуропроводностью и низким коэффициентом поглощения).

1.12.1 Эффект конечной глубины и конечного времени жизни расплава

1.12.2 Диаграмма (не)устойчивости

1.12.3 Оценки и сравнение с экспериментами.

§1.13 Сравнение модели с экспериментами по лазерному сглаживанию керамик из оксида алюминия и оксида циркония.

§ 1.14 Выводы к Главе 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устойчивость поверхности материалов при интенсивном лазерном воздействии»

§ 2.2 Постановка задачи исследования.164

§ 2.3 Типы выталкивания расплава.168

§ 2.4 Глубина расплава в присутствие интенсивного испарения при объемном нагреве.177

2.4.1 Изменение глубины расплава в зависимости от поглощенной интенсивности в мелком пятне.177

2.4.2 Изменение глубины расплава по поверхности отверстия. 182

§ 2.5 Глубина расплава в присутствие интенсивного испарения при поверхностном нагреве.185

2.5.1 Изменение глубины расплава в зависимости от поглощенной интенсивности в мелком пятне . 197

2.5.2 Изменение глубины расплава по поверхности отверстия. 187

§ 2.6 Давление факела абляции на облучаемую поверхность.188

2.6.1 Полимеры.191

2.6.2 Керамики и металлы.196

§ 2.7 Движение расплава вдоль поверхности.197

2.7.1 Стационарное решение для движения расплава.200

2.7.2 Нестационарное решение для движения расплава.205

§ 2.8 Измерение вязкости слоя расплава на поверхности полимера в условиях импульсной лазерной абляции.207

2.8.1 Эксперимент.208

2.8.2 Модель вязкого течения слоя расплава.210

2.8.3 Обсуждение.212

§ 2.9 Образование нановолокон миллиметровой длины при одноимпульсной KrF-лазерной абляции полиметилметакрилата.213

2.9.1 Эксперимент.215

2.9.2 Результаты и обсуждение.217

2.9.3 Возможные механизмы .220

2.9.4 Сравнение с абляцией металлов.229

2.9.5 Выводы.232

§ 2.10 Обсуждение результатов.233

§ 2.11 Выводы к Главе 2.238

Литература к Главе 2.240

Глава 3

УСТОЙЧИВОСТЬ РЕЛЬЕФА ПРИ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

§3.1 Введение.246

§ 3.2 Самоостанавливающаяся полирующая лазерная абляция шероховатых поверхностей при испарении «короткими» импульсами излучения.247

3.2.1 Эксперименты по лазерному сглаживанию и полировке тонких шероховатых алмазных пленок.250

3.2.2 Модель испарения шероховатой поверхности «короткими» лазерными импульсами. Самоорганизация шероховатой поверхности при скользящем падении пучка.254

§ 3.3 Устойчивость рельефа при модификации поверхности в твердой фазе «длинными» импульсами излучения.269

3.3.1 Кинетика массопереноса и выделения тепла на плоской поверхности при ее лазерной модификации.270

3.3.2 Лазерное испарение шероховатой поверхности. Возможность реализации лазерной полировки. 272

3.3.3 Лазерное пиролитическое травление шероховатой поверхности. Возможность реализации лазерной полировки. 279

3.3.4 Лазерное пиролитическое осаждение. Рост шероховатости поверхности. 281

§ 3.4 Выводы к Главе 3.283

Литература к Главе 3.285

Глава 4

САМООРГАНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ МНОГОИМПУЛЬСНОМ УФ ЛАЗЕРНОМ СВЕРЛЕНИИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В ПОЛИМЕРАХ

§4.1 Введение. 288

§ 4.2 Обзор литературы и постановка задачи.289

§ 4.3 Экспериментальные исследования лазерного сверления полимеров. 293

4.3.1 Схема фокусировки излучения.293

4.3.2 Исследуемые полимеры.295

4.3.3 Просверленные лазером отверстия со сверхвысокими аспектными отношениями.296

4.3.4. Экспериментальная зависимость скорости сверления от числа импульсов .298

4.3.5 Экспериментальные зависимости глубины конечных скважин от плотности лазерной энергии.301

4.3.6 Пропускание пучка сквозной скважиной в зависимости от глубины 301

4.3.7 Зона воздействия лазерного излучения в материале вокруг скважины 302 § 4.4 Модель сверления глубоких отверстий при учете угловой расходимости лазерного пучка.303

4.4.1 Пороговая плотность энергии пучка для получения параллельных боковых стенок на входе в отверстие.312

4.4.2 Распределение плотности энергии пучка, обеспечивающее строго цилиндрические боковые стенки.313

4.4.3 Форма скважины для прямоугольного распределения плотности энергии.314

4.4.4 Сверление глубоких сквозных отверстий с малой вариацией диаметра вдоль длины для пучков с прямоугольным распределением плотности энергии.317

4.4.5 Профиль отверстия для гауссова пучка.318

4.4.6 Расчет пропускания лазерного пучка сквозными отверстиями в зависимости от глубины. Сравнение с экспериментом.322

§ 4.5 Обсуждение.324

§ 4.6 Выводы к Главе 4.327

Литература к Главе 4.329

Глава 5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА С ШЕРОХОВАТЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ В УСЛОВИЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

§ 5.1 Введение.332

§ 5.2 Обзор литературы.333

§ 5.3 Измерение температурной зависимости поглощательной способности алюминиевых мишеней на длине волны 10,6 мкм.336

5.3.1 Экспериментальная установка.337

5.3.2 Теория.338

5.3.3 Результаты и обсуждение.338

§ 5.4 Измерение угловой зависимости поглощательной способности рифленой поверхности.345

§ 5.5 Измерение поглощения лазерной энергии на рифленой металлической поверхности вне облучаемого пятна при помощи матричного калориметрического метода.347

5.5.1 Схема эксперимента.348

5.5.2 Описание метода измерений.350

5.5.3 Результаты эксперимента.354

§ 5.6 Измерение изменений поглощательной способность поверхности в условиях лазерного самовоздействия.356

§5.7 Модель возбуждения ПЭВ лазерным пучком на поверхности металла с периодической структурой.358

§ 5.8 Поглощение ПЭВ металлической поверхностью. Решетка покрывает всю поверхность мишени.364

5.8.1 Большое пятно облучения (х0» 1 /а).368

5.8.1.1 Теория.368

5.8.1.2 Сравнение с неаналитическими результатами расчетов численными методами на ЭВМ (хо» Ма).371

5.8.1.3 Сравнение с экспериментом в § 5.4 по измерению поглощательной способности глубокой рифленой поверхности.373

5.8.2 Малое пятно облучения (х0 < Ма).375

§ 5.9 Поглощение ПЭВ металлической поверхностью. Решетка покрывает лишь пятно облучения, вне пятна поверхность плоская 376

5.9.1 Большое пятно облучения (х0» Ма).377

5.9.2 Малое пятно облучения (х0 < 11а).377

§ 5.10 Угловая зависимость эффективности возбуждения ПЭВ и поглощательной способности.380 а) для большого пятна.381 б) для малого пятна.382

§ 5.11 Температурная зависимость поглощательной способности рифленой поверхности.382

5.11.1 Сдвиг резонанса А(0) при нагреве (при неизменном угле падения излучения на мишень).383

5.11.2 Изменение величины резонанса при нагреве.384

5.11.3 Сравнение с экспериментами по измерению температурной зависимости поглощательной способности алюминиевых мишеней на длине волны 10,6 мкм.388

§ 5.12 Поглощательная способность поверхности, обусловленная лазерноиндуцированными резонансными периодическими структурами.388

5.12.1 Сравнение с экспериментами по измерению изменений эффективной поглощательной способности поверхности в условиях лазерного самовоздействия.391

§ 5.13 Эффект усиления поля на поверхности и его возможное влияние на пороги плазмообразования.392

§ 5.14 Локальные значения поглощательной способности. Влияние ПС на пороги оптического пробоя у поверхности.395

§ 5.15 Проявление размерного эффекта в кинетике формирования резонансных лазерно-индуцированных ПС.403

§5.16 Влияние нерезонансной шероховатости поверхности на условия максимального поглощения и его величину.408

§ 5.17 Выводы к Главе 5.413

Литература к Главе 5.415

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты диссертации.421

БЛАГОДАРНОСТИ.424

ВВЕДЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Токарев, Владимир Николаевич, 2006 год

1. С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко, Действие излучения большой мощности на металлы (М.: Наука, 1970).

2. Ю.В. Афанасьев, О.Н. Крохин, «Газодинамическая теория воздействия излучения лазера на конденсированные вещества». Труды ФИАН СССР, т. 52, с. 118-170 (1970).

3. Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, А.Н. Кокора, Лазерная обработка материалов (М.: Машиностроение, 1975).

4. J.F. Ready, Industrial Applications of Lasers (New York, Academic Press, 1978).

5. А.А. Веденов, Г.Г. Гладуш, Физические процессы при лазерной обработке материалов(М.: Энергоатомиздат, 1985).

6. С.А. Ахманов, В.И. Емельянов, Н.И. Коротеев, В.Н. Семиногов, «Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика». УФН, т. 147, с. 675-745 (1985).

7. A.M. Прохоров, В.И. Конов, И. Урсу, И.Н. Михайлеску, Взаимодействие лазерного излучения с металлами (М.: Наука, 1988).

8. А.А. Самохин, «Фазовые переходы первого рода при действии лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды». Труды ИОФАН, т. 13, с. 3-107 (М.: Наука, 1988).

9. Р.В. Арутюнян, В.Ю. Баранов, J1.A. Большое и др. Воздействие лазерного излучения на материалы (М.: Наука, 1989).

10. V.I. Mazhukin and А.А. Samarskii, "Mathematical modeling in the technology of laser treatments of materials". Surveys on Mathematics for Industry, v. 4, pp. 85-149 (1994).

11. S.I. Anisimov, V.A. Khokhlov, Instabilities in Laser-matter Interaction (CRC, Boca Raton, 1995).

12. Ф.Х. Мирзоев, В.Я. Панченко, Л.А. Шелепин, «Лазерное управление процессами в твердом теле». УФН, т. 166, с. 3-32 (1996).

13. D. Bauerle, Laser Processing and Chemistry, 2nd Edition, (Springer, Berlin, 1996).

14. D.B. Tuckerman and A. H. Weisberg, "Planarization of gold and aluminum thin films using a pulsed laser". IEEE Electron Device Letters, v. EDL-7, No. 1, pp. 1-4 (1986).

15. P.F. Marella, D.B. Tuckerman, and R.F. Pease, "Modeling of laser planarization of thin metal films". Appl. Phys. Lett., v. 54, pp. 1109-1111 (1989).

16. T. Naganori and S. Matsumoto, Jap. J. Appl. Phys., v. 28, L 1657 (1989).

17. H. Niino, M. Nakano, S. Nagano, et al, "Morphological modification ablated on poly(ethylene 2,6-naphthalate) by excimer lasers". J. Photopolym. Sci. Technol., v. 2(1), pp. 133-137(1989).

18. A.F.H. Kaplan, „Precision ablation processing", in: Handbook of Eur о Laser Academy, ed. by D. Schuocker, v. 2 (Chapman & Hall, London, 1998), chapter 8, pp. 473-522.

19. A.G. Corfe and R.C. Crafer, „Drilling", in: Handbook of EuroLaser Academy, ed. by D. Schuocker, v. 2 (Chapman & Hall, London, 1998), chapter 9, pp. 548-549.

20. J. Arnold, U. Stark, and F. Dausinger, "Structuring of metals by ablation with excimer laser". Proc. ICALEO (San Jose, USA, 1991), pp. 414-423.

21. P.E. Dyer and R. Srinivasan, "Nanosecond photoacoustic studies on ultraviolet laser ablation of organic polymers". Appl. Phys. Lett., v. 48(6), pp. 445-447 (1986).

22. H. Huegel, Strahlwerkzeug Laser (Teubner, Stuttgart, 1992).

23. R. Srinivasan, "Ablation of polymers and biological tissue by ultraviolet lasers". Science, v. 234, pp. 559-565 (1986).

24. В.П. Агеев, JI.JI. Буйлов, В.И. Конов и др., "Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками". Докл. АН СССР, т. 33, с. 840-842 (1988).

25. S.M. Pimenov, A.A. Smolin, V.G. Ralchenko, et al, "UV laser processing of diamond films: effects of irradiation conditions on the properties of laser-treated diamond film surfaces". Diamond and Related Materials, v. 2, pp. 291-297 (1993).

26. S. Lazare, D. Drilhole, J. Lopez, and F. Weisbuch, in: Le vide: science, technique et applications, v. 54, No. 287 (Revue de la Société Française du Vide: French Vacuum Soc.) 1998, pp.265-283.

27. В.И. Конов, A.M. Прохоров, В.А. Сычугов, А.В. Тищенко, В.Н. Токарев, "Временная и пространственная эволюция периодических структур, возникающих на поверхности облученных лазером твердых тел". ЖТФ, т. 53, № 11, с. 2283-2286 (1983).

28. I. Ursu, I.N. Mihailescu, L.C. Nistor, V.S. Teodorescu, A.M. Prokhorov, V.I. Konov, and V.N. Tokarev, "Periodic structures on the surface of fused silica under multipulse 10.6 |itn laser irradiation". Appl. Optics, v. 24, No. 22, pp. 3736-3739 (1985).

29. I. Ursu, I.N. Mihailescu, A.M. Prokhorov, V.I. Konov, and V.N. Tokarev, "On the role of the periodical structures induced by powerful laser irradiation of metallic surfaces in the energy coupling process". Physica C, v. 132C, pp. 395-402 (1985).

30. V.I. Konov, A.M. Prokhorov, V.A. Sychugov, and V.N. Tokarev, "Formation of periodic structures on the surface of fused quartz during its vaporization by CO2 laser radiation". Phys. Chem. Mech. Surfaces, v. 4, No. 1, pp. 250-268 (1986).

31. Ursu, I.N. Mihailescu, A.M. Prokhorov, V.I. Konov, and V.N. Tokarev, "Surface electromagnetic waves initiation and propagation by laser irradiation of periodical structures -riddled metallic surfaces". Proc. SPIE, v. 1033, pp. 337-342 (1989).

32. B.H. Токарев, В.И. Конов, "Светоиндуцированная полировка испаряющейся поверхности". Квант, электроника, т. 18, № 4, с. 487-489 (1991).

33. V.N. Tokarev and V.I. Konov, "Light-induced polishing of evaporating surface". Proc. SPIE, v. 1503, pp. 269-276 (1991).

34. V.N. Tokarev, A.Yu. Semenov, and V.I. Konov, "Study of surface stability in laser ablation, etching and deposition". Proc. of Laser Advanced Materials Processing Conference -LAMP'92 (Nagaoka, Japan, June 7-16,1992) v. 2, pp. 1067-1073.

35. V.N. Tokarev and V.I. Konov, "Light-induced polishing of evaporating surface". Precision Engineering, v. 14, No. 4, p. 252 (1992).

36. V.I. Konov and V.N. Tokarev, "Surface stability under pulsed laser ablation" (Invited paper). Proc. SPIE, v. 1882, p. 396 (1993).

37. V.N. Tokarev and V.I. Konov, "Suppression of thermocapillary surface waves in laser melting of metals and semiconductors". J. Appl. Phys., v. 76, No. 2, pp. 800-805 (1994).

38. V.N. Tokarev, J.I.B. Wilson, M.G. Jubber, P. John, and D.K. Milne, "Excimer laser polishing of diamond films: model and experiment". Advances in Science and Technology, v. 6,pp. 47-54(1995).

39. V.N. Tokarev, J.G. Lunney, W. Marine, and M. Sentis, "Analytical thermal model of ultraviolet laser ablation with single-photon absorption in the plume". J. Appl. Phys., v. 78, No. 2, pp. 1241-1246(1995).

40. V.N. Tokarev, W. Marine, C. Prat, and M. Sentis, "Clean processing of polymers and smoothing of rough ceramics by pulsed laser melting". J. Appl. Phys., v. 77, pp. 4714 -4723 (1995).

41. V.N. Tokarev, J.I.B. Wilson, M.G. Jubber, P. John, and D.K. Milne, "Modelling of self-limiting laser ablation of rough surfaces: Application to the polishing of diamond films". Diamond and Related Materials, v. 4, pp. 169-176 (1995).

42. Т.Е. Itina, V.N. Tokarev, W.I. Marine, and M. Autric, "Monte Carlo simulation study of the effect of non-equilibrium chemical reactions in the pulsed laser desorption". J. Chem. Phys., v. 106, No. 21, pp. 8905-8912 (1997).

43. M. Autric, Т.Е. Itina, W.I. Marine, F. Grangeon, L. Lambert, Y. Mathey, H. Sassoli, and V.N. Tokarev, "Pulsed laser deposition of thin film materials in vacuum and in ambient gas conditions" (Invited paper). Proc. SPIE, v. 3574, pp. 415-425 (1998).

44. V.N. Tokarev and A.F.H. Kaplan, "Modelling of melt depth variation in wide range of laser pulse intensities". Lasers in Engineering, v. 7, No. 3-4, pp. 295-332 (1998).

45. V.N. Tokarev and A.F.H. Kaplan, "An analytical modeling of time dependent pulsed laser melting". J. Appl. Phys., v. 86, No. 5, pp. 2836-2846 (1999).

46. V.N. Tokarev and A.F.H. Kaplan, "Suppression of melt flows in pulse laser ablation: Application to the clean laser processing". J. Phys. D: Appl. Phys., v. 32, pp. 1526-1538 (1999)

47. V.N. Tokarev, J. Lopez, and S. Lazare, "Modelling of high-aspect-ratio microdrilling of polymers with UV laser ablation". Appl. Surf. Sci., v. 168, pp. 76-79 (2000).

48. F. Weisbuch, Y.N. Tokarev, S. Lazare, and D. Débatte, "Viscosity of transient melt layer on polymer surface under conditions of KrF laser ablation". Appl. Surf. Sci., v. 186, pp. 95-99 (2002)

49. F. Weisbuch, V.N. Tokarev, S. Lazare, С. Belin, and J.L. Bruneel, "Millimeter-long nano-fibers of PMMA spun at super-high speed by ablation with a single pulse of a KrF excimer laser". Appl. Phys. A, v. 75, pp. 677-680 (2002).

50. V.N. Tokarev, J. Lopez, S. Lazare, and F. Weisbuch, "High-aspect-ratio microdrilling of polymers with UV laser ablation: Experiment and analytical model" (Invited paper), Appl. Phys. A, v. 76, pp. 385-396 (2002).

51. S. Lazare, V.N. Tokarev, "Recent experimental and theoretical advances in microdrilling of polymers with ultraviolet laser beams" (Invited paper). Proc.SPIE, v.5662, pp.221-231 (2004).

52. S. Lazare, F. Weisbuch, V.N. Tokarev, and D. Débarre, "Improved resolution of submicron KrF laser ablation of polymers by a new filtered imaging irradiation". Proc. SPIE, v. 5662, pp. 249-254 (2004).

53. F. Weisbuch, V.N. Tokarev, S. Lazare, С. Belin, and J.L. Bruneel, „Millimeter long PMMA nanofibers a new form of material removal in laser ablation". Thin Solid Films, v. 453-454, pp. 394-398 (2004).

54. V.N. Tokarev, S. Lazare, С. Belin, and D. Débarre, "Viscous flow and ablation pressure phenomena in nanosecond UV laser irradiation of polymers". Appl. Phys. A, v.79, pp.717720 (2004).

55. S. Lazare, V.N, Tokarev, A. Sionkowska, H. Kaczmarek, M. Wisniewski, J. Skopinska, "Surface foaming of collagen, chitosan and other biopolymer films by KrF excimer laser ablation". Appl. Phys. A 81 (3), pp. 465 470 (2005).

56. S. Lazare et V.N. Tokarev, « Récents progrès expérimentaux et théoriques en microperçage des polymères par faisceaux laser ultraviolets », Mécanique et Industries, v. 7, pp. 111-122 (2006) (in French).

57. В.Н.Токарев, «Выталкивание вязкой жидкости при наносекундной УФ лазерной абляции: от «чистой» обработки к наноструктурам». Лазерная физика, т. 16, № 9, с. с.1291-1307 (2006).

58. Чтобы найти границы областей "устойчивых" и "неустойчивых" режимов облучения зависимость периода НППС А от коэффициента поглощения у и лазерной плотности энергии F должна быть проанализирована в широком диапазоне их изменения;