Введение к работе
Актуальность темы
Использование фемтосекундных лазеров открывает новые возможности в целом ряде технологических приложений в микро- и нанотехнологиях, микро- и нанохирургии, микро- и нанобиологии, стоматологии, офтальмологии. Технологии на основе фемтосекундных воздействий используют, например, для изготовления элементов для солнечной энергетики и интегрально-оптических компонентов, повышения производительности фотоэлектронных приборов, уменьшения трения и повышение механической износостойкости, для обработки поверхностей имплантов в медицине и т.д. Развитие всех этих направлений требует изучения процессов, происходящих при воздействии импульсов ультракороткой длительности на различные среды.
Большой интерес представляет исследование динамики неравновесных носителей и оптических свойств конденсированных сред в течение действия фемтосекундного импульса. Эти процессы интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки новых лазерных технологий модификации поверхности.
Одной из важных задач исследования воздействия ультракоротких импульсов лазерного излучения на металлы является лазерное окисление, которое лежит в основе термохимического метода изготовления дифракционных оптических элементов, используемых для преобразования световых пучков при дифракции на их структуре [1]. В настоящее время для увеличения разрешающей способности полученных элементов применяют ультракороткие лазерные импульсы. Между тем результат их воздействия на тонкие пленки противоречит существующим теоретическим оценкам [2], согласно которым ультракороткие импульсы не должны инициировать рост окисной пленки на поверхности металлов. В экспериментах, описанных в литературе [3], бьша показана возможность окисления металлических пленок хрома при воздействии, как серии ультракоротких лазерных импульсов, так и одиночных импульсов. Механизмы, приводящие к образованию защитного окисла в этих условиях, требуют дополнительного изучения.
В работе с помощью компьютерного моделирования проведено исследование процессов, происходящих в металле при воздействии
ультракоротких лазерных импульсов, а именно лазерного нагревания с учетом эмиссии электронов и лазерного окисления.
Целью диссертационной работы является исследование механизмов электронной эмиссии в металлах и окисления металлов при воздействии лазерных импульсов ультракороткой длительности.
Задачи исследования
-
Построить модель эмиссионных процессов, учитывающую термо- и многоквантовую фотоэмиссию, при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на металлы.
-
Предложить физическую и математическую модель лазерного окисления металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов.
-
На основе этих моделей провести анализ эмиссионных процессов и окисления металлов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Эмиссия электронов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на металлы не вносит существенного вклада в энергобаланс. Из-за высокой начальной концентрации свободных электронов условия возникновения кулоновского взрыва в металлах могут быть реализованы только при плотностях энергии поглощенного излучения свыше 10 Дж/см , при которых начинает развиваться приповерхностное облако плазмы, механизм разрушения изменяется.
-
Окисление металлов при воздействии одиночных фемтосекундных лазерных импульсов происходит по линейному закону, а скорость роста окисла определяется эмиссией электронов.
-
Окисление металлов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с мегагерцовой частотой следования может быть описано как окисление при действии непрерывного излучения с плотностью мощности равной средней плотности мощности фемтосекундного излучения.
Научная новизна работы
-
Впервые показано, что эмиссия электронов при фемтосекундном лазерном воздействии оказывает слабое влияние на теплофизические и оптические свойства образца и, следовательно, на динамику температуры. Высокая начальная концентрация свободных электронов в металлах препятствует созданию условий возникновения кулоновского взрыва.
-
При воздействии серии ультракоротких лазерных импульсов с мегагерцевой частотой следования происходит накопление тепла в пленке и подложке от импульса к импульсу, окисление описывается параболическим Вагнеровским законом, как при длительном воздействии, вклад других механизмов оказывается незначительным по сравнению с тепловым механизмом роста окисла.
-
При воздействии серии лазерных импульсов с низкой частотой повторения, когда пленка успевает остыть между импульсами, или одиночных лазерных импульсов существенное влияние на рост окисной пленки оказывает термоэлектронная эмиссия с поверхности хрома.
Практическая ценность
Создана программа для моделирования нагревания металла при воздействии ультракоротких лазерных импульсов с учетом эмиссии электронов.
Написана программа для компьютерного моделирования окисления тонкой металлической плёнки на стеклянной подложке под действием одиночных и серии ультракоротких лазерных импульсов.
Результаты использованы в курсе лекций «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» для магистров, обучающихся по магистерской программе 200200.68 «Лазерные микро- и нанотехнологии».
Реализация результатов работы
Частично работа выполнялась в рамках грантов РФФИ:
- № 09-02-00932-а «Исследование условий возбуждения и распространения
поверхностных плазмон-поляритонов и волноводных мод в металлах,
полупроводниках и широкозонных диэлектриках при воздействии фемтосекундного лазерного излучения», 2009 - 2011 гг.;
№ 10-02-00208-а «Модификация структуры стеклокристаллических тонких слоев под действием сверхкоротких импульсов лазерного излучения», 2010-2012; -№ 12-02-01194-а «Структурное моделирование воздействия ультракоротких лазерных импульсов на сильно поглощающие полупроводники», 2012 - 2014 гг.;
12-02-00974-а Исследование роли положительных и отрицательных обратных связей в процессе лазерной наномодификации тонких металлических пленок, 2012-2014 гг.;
№ 13-02-00033-а «Исследование возможностей создания нанокомпозитных областей в системе SiCVSi под действием ультракоротких импульсов лазерного излучения» 2013 - 2015 гг.;
государственных контрактов:
- П1134 от 27 августа 2009 «Новый класс явлений структурно-фазовой
перестройки в стеклокристаллических средах под действием лазерного
излучения» , 2009-2011;
-№ 11.519.11.4017 от 21 октября 2011 г. «Лазерная модификация и структурирование твердых тел как метод создания новых элементов информационно-коммуникационных систем», 2011-2013 гг.;
гранта Президента Российской Федерации для поддержки ведущих научных школ № НШ-619.2012.2 «Фундаментальные основы лазерно-индуцированных процессов локальной структурно-фазовой перестройки в стеклокристаллических средах» 2012 - 2014 гг.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на 3 международных и 11 российских научных конференциях и семинарах:
XXXVIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 03 - 06 февраля 2009; VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 14-17 апреля 2009; XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 02 - 05 февраля 2010; VII
Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 20 - 23 апреля 2010; International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro-& Nanotechnologies" (FLAMN-10), Saint-Petersburg-Pushkin, 05 - 08 July 2010; XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 01 -04 февраля 2011; VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 12 - 15 апреля 2011; VII международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», СПб, 17-21 октября 2011; XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 31 января - 03 февраля 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, 10 - 13 апреля 2012; X International Seminar "Mathematical Models & Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced Science Technologies", Petrovac, Montenegro, 26 may - 01 June 2012; XLII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 29 января - 1 февраля 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, 9 - 12 апреля 2013; International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro - & Nanotechnologies" (FLAMN-13), Saint-Petersburg-Pushkin, 24 - 28 June 2013.
Структура и объем диссертации
