Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення
Розглянуто уявлення про взаємодію інтенсивних імпульсних потоків світлової енергії з поверхнею речовини, в тому числі з руйнуванням поверхні. Задача полягає в прогнозуванні критичних параметрів впливу лазерного випромінення на властивості приповерхневих твердих матеріялів (модифікація поверхні, топл...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Успехи физики металлов |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98174 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення / Л.В. Породько, А.Б. Демчишин // Успехи физики металлов. — 2011. — Т. 12, № 4. — С. 481-487. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860220508178481152 |
|---|---|
| author | Породько, Л.В. Демчишин, А.Б. |
| author_facet | Породько, Л.В. Демчишин, А.Б. |
| citation_txt | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення / Л.В. Породько, А.Б. Демчишин // Успехи физики металлов. — 2011. — Т. 12, № 4. — С. 481-487. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Успехи физики металлов |
| description | Розглянуто уявлення про взаємодію інтенсивних імпульсних потоків світлової енергії з поверхнею речовини, в тому числі з руйнуванням поверхні. Задача полягає в прогнозуванні критичних параметрів впливу лазерного випромінення на властивості приповерхневих твердих матеріялів (модифікація поверхні, топлення, випаровування, зварювання, різання та ін.), що експлуатуються в широкому діяпазоні — від низькоенергетичної і тривалої до високоенергетичної і короткої — радіяційної дії.
The notions are considered concerning the interaction of high-pulsed fluxes of light energy with a matter surface, including the surface deterioration. A problem consists in the prognostication of critical parameters of the laser-radiation impact on properties of solid materials (modification of surfaces, surface melt, laser-induced evaporation, laser welding, laser cutting, etc.), which are operated in a wide range from the low-energy and long-term radiation exposures to the high-energy and short-term ones.
Рассмотрены представления о взаимодействии интенсивных импульсных потоков световой энергии с поверхностью вещества, в том числе с разрушением поверхности. Задача заключается в прогнозировании критических параметров воздействия лазерного излучения на свойства приповерхностных твёрдых материалов (модификация поверхности, плавление, испарение, сварка, резка и др.), которые работают в широком диапазоне — от низкоэнергетического и длительного до высокоэнергетического и короткого — радиационного воздействия.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:18:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
481
PACS numbers: 42.62.Cf, 61.80.Ba, 61.82.-d, 79.20.Ds, 81.15.Fg, 81.16.Mk, 81.40.Wx
Форми отоплення поверхні твердого тіла
під дією імпульсного лазерного випромінення
Л. В. Породько, А. Б. Демчишин
*
Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України,
вул. Генерала Наумова, 17,
03164 Київ, Україна
*Київський національний університет імені Тараса Шевченка,
фізичний факультет,
кафедра фізики металів,
просп. Акад. Глушкова, 4
а,
03187 Київ, Україна
Розглянуто уявлення про взаємодію інтенсивних імпульсних потоків сві-
тлової енергії з поверхнею речовини, в тому числі з руйнуванням поверх-
ні. Задача полягає в прогнозуванні критичних параметрів впливу лазер-
ного випромінення на властивості приповерхневих твердих матеріялів
(модифікація поверхні, топлення, випаровування, зварювання, різання
та ін.), що експлуатуються в широкому діяпазоні — від низькоенергетич-
ної і тривалої до високоенергетичної і короткої — радіяційної дії.
The notions are considered concerning the interaction of high-pulsed fluxes
of light energy with a matter surface, including the surface deterioration. A
problem consists in the prognostication of critical parameters of the laser-
radiation impact on properties of solid materials (modification of surfaces,
surface melt, laser-induced evaporation, laser welding, laser cutting, etc.),
which are operated in a wide range from the low-energy and long-term radia-
tion exposures to the high-energy and short-term ones.
Рассмотрены представления о взаимодействии интенсивных импульсных
потоков световой энергии с поверхностью вещества, в том числе с разру-
шением поверхности. Задача заключается в прогнозировании критиче-
ских параметров воздействия лазерного излучения на свойства припо-
верхностных твёрдых материалов (модификация поверхности, плавле-
ние, испарение, сварка, резка и др.), которые работают в широком диапа-
зоне — от низкоэнергетического и длительного до высокоэнергетического
и короткого — радиационного воздействия.
Ключові слова: низькоенергетичні та високоенергетичні світлові імпуль-
Успехи физ. мет. / Usp. Fiz. Met. 2011, т. 12, сс. 481–487
Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ
Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî
â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé
2011 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè
èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû)
Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå.
482 Л. В. ПОРОДЬКО, А. Б. ДЕМЧИШИН
си фемтосекундної тривалости, наносекундний імпульс, отоплення, кра-
тери.
(Отримано 6 жовтня 2011 р.)
1. ВСТУП
Розробки лазерних технологій обробки матеріялів в умовах вакуу-
му та газових середовищ (модифікація поверхні, топлення, випаро-
вування, зварювання, різання та ін.) призвели до появи потужних
лазерів, що працюють у широкому діяпазоні — від низькоенерге-
тичних та тривалих (в медицині) до високоенергетичних та корот-
ких (1016
Вт/см
2
з довжиною імпульсу 10–1000 фемтосекунд; 1 фс
10
15с) [1–3].
Технології спрямовують свої дослідження в область усе більш ви-
соких лазерних потужностей та все більш коротких імпульсів. То-
му постає задача, що пов’язана з теоретичним прогнозуванням нас-
лідків потужного лазерного випромінення на поверхню речовини, і,
перш за все, задача визначення критичних параметрів впливу ви-
промінення на властивості твердих матеріялів. Задача такого про-
гнозування і визначення критичних параметрів є актуальною для
уникнення незворотніх змін властивостей матеріялів — руйнуван-
ня оптичних елементів (дзеркал, оптичних покриттів тощо), що пе-
ребувають тривалий час під впливом потужнього лазерного випро-
мінення (особливо імпульсно-періодичного). Для вибору оптималь-
них режимів лазерної обробки матеріялів і створення стійких до
впливу лазерного випромінення оптичних елементів існує необхід-
ність у знанні механізмів, що викликають незворотні зміни під
впливом лазерного опромінення [4, 6].
За допомогою дзеркальних оптичних систем лазерний промінь
можна спрямовувати у важкодоступні місця, передавати на значні
віддалі без втрат енергії. Слід мати на увазі, що з підвищенням тем-
ператури у твердому тілі активізується ряд процесів, які призво-
дять до зміни його фізичних властивостей, зокрема, тепломісткос-
ти, густини та ін.
Основними характеристиками імпульсного лазерного випромі-
нення, що використовуються для визначення стійкости матеріялів
до імпульсного впливу, є інтенсивність, тривалість і форма імпуль-
су.
В неперервному режимі лазерна стійкість визначається як суку-
пність двох характеристик: інтенсивности випромінення та трива-
лости опромінення до виникнення пошкоджень.
Пошкодження поверхні досліджуваного елемента відбувається
внаслідок комплексного впливу, принаймні, трьох факторів: влас-
не лазерного випромінення, плазми, що утворюється при руйну-
ОТОПЛЕННЯ ПОВЕРХНІ ТВЕРДОГО ТІЛА ПІД ДІЄЮ ВИПРОМІНЕННЯ 483
ванні матеріялу, та безпосереднього контакту як твердого тіла, так і
ударних хвиль плазмового факела з імпульсом випромінення [2, 5].
2. МЕТА І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ
Дослідження процесів, що супроводжують вплив лазерного випро-
мінення на поверхню речовини, виконуються в багатьох напрямах.
Але загалом досліджуються (в основному експериментально) особ-
ливості або окремих речовин, що опромінюються (кремній [10],
алюміній [2], сталь [3], графіт [11], титан [12], срібло [13], мідь [14],
алмаз [15]), або імпульсний вплив, обмежений по енергії імпульсів
різної тривалости [2, 3]. Велику кількість робіт присвячено дослі-
дженням наслідків впливу імпульсів різної тривалости [10]. В ре-
зультаті розрахунків одержано деякі закономірності, що дають пе-
вне підґрунтя для теоретичних досліджень, які змогли б, з одного
боку, об’єднати відомі результати, а з іншого, допомогти зрозуміти
від чого ж саме залежить поведінка речовини в екстремальних умо-
вах, які саме імпульси (їх потужність і довжина) більш вигідні в
кожному окремому випадку та які характеристики речовини є ви-
рішальними в процесі руйнування.
Дуже багато робіт виконуються для виявлення закономірностей
поведінки оптичних матеріялів [6]. У результаті експерименталь-
ного дослідження міцности матеріялів силової ІЧ-оптики виділено
кореляцію порогів пошкодження матеріялів по інтенсивності ви-
промінення з коефіцієнтами заломлення та відбиття [6]. Встанов-
лено, що такі пороги пошкодження матеріялів пропорційні
2 2
( 1) / 4n n або
2
(1 )R , де n, R — коефіцієнти заломлення та ві-
дбиття на гранях. Такі результати для оптичних кристалів узго-
джуються з експериментальними значеннями порогів пошкоджен-
ня поверхні йонних і напівпровідникових кристалів та металодзер-
кал в області високих значень коефіцієнтів відбиття ( 0,1) і залом-
лення ( 1,5) [6]. Матеріяли з величинами коефіцієнтів відбиття
0,1 і заломлення 1,5, тобто досить прозорі для даного випромі-
нення, мають пороги пошкодження поверхні тим вищі, чим біль-
шою є величина ширини забороненої зони.
В 60-х роках минулого століття в оптиці оперували імпульсами
наносекундної тривалости (10
9
с), що дозволяло досліджувати про-
цеси з характерною тривалістю в десятки й сотні наносекунд. В на-
ступні десятиліття були розвинені способи ґенерувати пікосекундні
(10
12
с) та фемтосекундні (10
15
с) імпульси. Це відкрило можливос-
ті вивчати коливний і обертальний внутрішньомолекулярні рухи,
динаміку носіїв у напівпровідниках (і напівпровідникових наност-
руктурах), фазові переходи у твердих тілах, формування й розрив
хемічних зв’язків тощо. Стало можливим за допомогою імпульсів
малої тривалости вивчати динаміку швидких процесів, що відбу-
484 Л. В. ПОРОДЬКО, А. Б. ДЕМЧИШИН
ваються з атомами в молекулях і твердих тілах.
До кінця 1990-х років було відпрацьовано техніку ґенерації гра-
нично коротких фемтосекундних імпульсів (тривалістю порядку
5 фс) [8]. Одержання ще більш коротких імпульсів аттосекундної
тривалости (10
18
с) в силу фундаментальних обмежень лінійної фі-
зики вже не дозволяє залишатися в ближньому інфрачервоному або
оптичному діяпазонах хвиль. Для цього виникає потреба викорис-
тання жорсткого ультрафіолету — м’якого Рентґенового випромі-
нення.
3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Сучасне покоління лазерів і лазерних систем дозволяє одержувати
імпульси фемтосекундної тривалости. Фокусування світлового ім-
пульсу з тривалістю 10–1000 фс дає можливість одержати інтенси-
вність у діяпазоні від 1014
до 1021
Вт/см
2
[1].
Для з’ясування основних якісних рис процесу оптичного нагрі-
вання речовини в багатьох випадках виявляється достатнім змоде-
лювати неперервне лазерне випромінювання Хевісайдовою ступне-
вою функцією:
0, 0,
( )
1, 0,
p
tt
f H t
t
(1)
а імпульсне — прямокутньою обвідною інтенсивности:
( ) ( )
p
p p
H t H t tt
f
t t
. (2)
У граничному випадку, коли tp , одержуємо миттєвий ім-
пульс, який звичайно задають за допомогою -функції, тобто
f(t/tp) (t). Цікавим з практичної точки зору є імпульс, інтенсив-
ність якого швидко зростає до моменту часу tp, а потім повільно
спадає. Такі імпульси ґенерують з метою уникнення швидкого охо-
лодження тіла, і їх можна задати, наприклад, формулою:
, ;
exp ( ) , .
n
p
p
p
p p
t
t tt
tf
t
b t t t t
(3)
Імпульси високої інтенсивности і відповідної тривалости, потра-
пляючи на поверхню твердої речовини, призводять до суттєвих
змін цієї поверхні, що викликає особливу зацікавленість [5]. На ри-
ОТОПЛЕННЯ ПОВЕРХНІ ТВЕРДОГО ТІЛА ПІД ДІЄЮ ВИПРОМІНЕННЯ 485
сунку 1 наведено приклад такої обробки. Як видно, кратери, ство-
рені лазерним імпульсом, відрізняються за своєю формою.
Суттєво те, що руйнування поверхні може відбуватися як з отоп-
ленням країв кратера, так і без отоплення. В [3] стверджується, що
існує прямо пропорційна залежність між тривалістю імпульсу та
виглядом кратера, а саме, мірою отоплення його країв. З рисунку 1
видно, що кратер, створений наносекундним імпульсом, має більш
отоплені краї, ніж кратер, просвердлений фемтосекундним імпуль-
сом (10
15
с).
У роботі [7] наведено результати (рис. 2), з яких видно, що не все
залежить від тривалости імпульсу.
Результати цих експериментів указують на те, що наявність або
Рис. 1. Кратер діяметром 100 мікрометрів, просвердлений у сталі лазер-
ним імпульсом (наносекундним зліва та фемтосекундним праворуч) [3].
20 нс 40 пс 50 фс
Рис. 2. Кратери, що просвердлені імпульсами з довжинами 20 нс, 40 пс та
50 фс в алюмінієвих зразках. Енергія імпульсу — 2,7 мкДж/імпульс. Для
обробки використовувалися «пакети» по 3 імпульси [7].
486 Л. В. ПОРОДЬКО, А. Б. ДЕМЧИШИН
відсутність отоплення кратера суттєво залежить не тільки від три-
валости падаючого на поверхню імпульсу, але й від його інтенсив-
ности.
Не зважаючи на ріжницю між кратерами, видно, що в обох випа-
дках (як для рис. 1, так і для рис. 2) імпульси фемтосекундної три-
валости не дають отоплених країв.
Проте, виходячи з експериментальних досліджень, виконаних у
роботі [8], можна бачити (рис. 3), що, хоча отоплених країв у випа-
дку обробки матеріялу фемтосекундними імпульсами немає, на сті-
нках свердловини отоплення має місце навіть при дуже коротких
довжинах імпульсів у 5 фс. Цей факт говорить про те, що процеси,
які відбуваються при руйнуванні поверхні над короткими лазерни-
ми імпульсами, все ж таки можна розглядати на основі уявлень про
суцільне середовище.
4. ВИСНОВКИ
Питанням, що пов’язані з руйнуванням поверхні короткими лазер-
ними імпульсами великої інтенсивности, присвячено велику кіль-
кість експериментальних та теоретичних досліджень. В останні ро-
ки зростає інтерес до використання дуже коротких імпульсів [7]. У
зв’язку із цим виникає необхідність дослідження процесів, що від-
буваються при взаємодії коротких лазерних імпульсів із плазмою,
яка виникає при опроміненні матеріялу. На формування плазми, в
свою чергу, істотно впливає структура та властивості поверхневого
шару цілі. Факторами, що можуть впливати на розвинення процесу
можуть бути гладкість або шерсткість поверхні [9], поруватість [2],
поглинальна здатність речовини.
Не зважаючи на велику кількість експериментальних робіт у цій
Рис. 3. Структура граней кратера, утвореного дією 25 імпульсів випромі-
нення з довжиною в 5 фс та енергією 6,9 Дж/см
2
у кварці [8].
ОТОПЛЕННЯ ПОВЕРХНІ ТВЕРДОГО ТІЛА ПІД ДІЄЮ ВИПРОМІНЕННЯ 487
області, фізика процесів, що відбуваються при опромінюванні ре-
човини, залишається незрозумілою [3]. Як правило, роботи, яких
присвячено вивченню впливу лазерного випромінення на речовину,
є експериментальними. Роботи теоретичного напряму стосуються
здебільш не поведінки речовини, що опромінюється, а вивчення
властивостей плазми, яка виникає при руйнуванні поверхні, при-
чому роботи з дослідження процесів руйнування поверхні — це ро-
боти переважно обчислювального характеру.
Отже, теоретичні моделі, що використовуються для інтерпрета-
ції поведінки речовини в екстремальному стані, базуються на при-
пущенні, що фазовий стан досліджуваного матеріялу не змінюється
впродовж усього процесу лазерної обробки, а можливість швидких
якісних змін ігнорується. Урахування кінетики подібних змін, тоб-
то локальних фазових перетворень, є суттєвим.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Р. В. Волков, В. М. Гордиенко, Д. М. Голишников, Письма ЖЭТФ, № 77:
568 (2003).
2. А. Б. Савельев-Трофимов, Управление свойствами плотной плазмы фем-
тосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических
ядерных процессов (Дисс. … д-ра физ.-мат. н.; 01.04.21) (Москва: МГУ:
2003).
3. D. Hulin, Rapport sur la Science et la Technologie No. 09 l’Academie des
Sciences ‘Sciences aux Temps Ultracourts (de l’Attoseconde aux Petawatts)’
(Londres–Paris–New York: 2000), p. 197.
4. С. Г. Казанцев, Оптика атмосферы и океана, 16, № 4: 390 (2003).
5. J. C. Gauthier, Rapport sur la Science et la Technologie No. 09 l’Academie des
Sciences ‘Sciences aux Temps Ultracourts (de l’Attoseconde aux Petawatts)’
(Londres–Paris–New York: 2000), p. 225.
6. С. Г. Казанцев, Перспективные материалы проходной оптики мощных ИК
лазеров, http://www.uniphys.ru/journal/N1–05/toparticle/toparticle.htm.
7. X. Zhu, A. Yu. Naumov, and D. M. Villeneuve, Appl. Phys. A, 69, Suppl.: 367
(1999).
8. M. Lenzner, Int. J. Mod. Phys. B., 13, No. 13: 1559 (1999).
9. J. Tadano, H. Kumakura, and Y. Ito, Appl. Phys. A., 79, Nos. 4–6: 1031 (2004).
10. Y. C. Lam, D. V. Tran, and H. Y. Zheng, Surf. Rev. Lett., 11, No. 2: 217 (2004).
11. M. B. Agranat, S. I. Ashitkov, and V. E. Fortov, J. Exp. Theor. Phys., 88, No. 2:
370 (1999).
12. H. Reimer, J. Gold, B. Kasemo, and D. Chakarov, Appl. Phys. A, 77: 491 (2003).
13. B. Toftmann, J. Schou, and N. B. Larsen, Appl. Phys. A, 69: 811 (1999).
14. A. I. Boriskin, V. M. Eremenko, and P. A. Pavlenko, Tech. Phys., 49, No. 6: 770
(2004).
15. H. Park, Y. K. Hong, and J. S. Kim, Appl. Phys. Lett., 69, No. 6: 779 (1996).
http://www.uniphys.ru/journal/N1–05/toparticle/toparticle.htm
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98174 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1608-1021 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:18:22Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Породько, Л.В. Демчишин, А.Б. 2016-04-09T18:34:17Z 2016-04-09T18:34:17Z 2011 Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення / Л.В. Породько, А.Б. Демчишин // Успехи физики металлов. — 2011. — Т. 12, № 4. — С. 481-487. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1608-1021 PACS numbers: 42.62.Cf, 61.80.Ba, 61.82.-d, 79.20.Ds, 81.15.Fg, 81.16.Mk, 81.40.Wx https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98174 Розглянуто уявлення про взаємодію інтенсивних імпульсних потоків світлової енергії з поверхнею речовини, в тому числі з руйнуванням поверхні. Задача полягає в прогнозуванні критичних параметрів впливу лазерного випромінення на властивості приповерхневих твердих матеріялів (модифікація поверхні, топлення, випаровування, зварювання, різання та ін.), що експлуатуються в широкому діяпазоні — від низькоенергетичної і тривалої до високоенергетичної і короткої — радіяційної дії. The notions are considered concerning the interaction of high-pulsed fluxes of light energy with a matter surface, including the surface deterioration. A problem consists in the prognostication of critical parameters of the laser-radiation impact on properties of solid materials (modification of surfaces, surface melt, laser-induced evaporation, laser welding, laser cutting, etc.), which are operated in a wide range from the low-energy and long-term radiation exposures to the high-energy and short-term ones. Рассмотрены представления о взаимодействии интенсивных импульсных потоков световой энергии с поверхностью вещества, в том числе с разрушением поверхности. Задача заключается в прогнозировании критических параметров воздействия лазерного излучения на свойства приповерхностных твёрдых материалов (модификация поверхности, плавление, испарение, сварка, резка и др.), которые работают в широком диапазоне — от низкоэнергетического и длительного до высокоэнергетического и короткого — радиационного воздействия. uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Успехи физики металлов Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення Shapes of Washing of a Solid under Action of Pulsed Laser Radiation Article published earlier |
| spellingShingle | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення Породько, Л.В. Демчишин, А.Б. |
| title | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| title_alt | Shapes of Washing of a Solid under Action of Pulsed Laser Radiation |
| title_full | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| title_fullStr | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| title_full_unstemmed | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| title_short | Форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| title_sort | форми отоплення поверхні твердого тіла під дією імпульсного лазерного випромінення |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98174 |
| work_keys_str_mv | AT porodʹkolv formiotoplennâpoverhnítverdogotílapíddíêûímpulʹsnogolazernogovipromínennâ AT demčišinab formiotoplennâpoverhnítverdogotílapíddíêûímpulʹsnogolazernogovipromínennâ AT porodʹkolv shapesofwashingofasolidunderactionofpulsedlaserradiation AT demčišinab shapesofwashingofasolidunderactionofpulsedlaserradiation |