CC BY
14
УДК 536.37, 536.331
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ УЛЬТРАКОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
Е. Ю. Локтионов1, А. В. Овчинников2, Ю. Ю. Протасов1, Д. С. Ситников2
Исследованы оптико-газодинамические процессы, происходящие при воздействии ультра,коротких импульсов лазерного излучения (то.5 ~ 45 — 70 фс; XI>II>III = 266, 400,800 нм,, E/S ~ 0.1 — 40 Дж/см2 при го ~ 20 мкм) на полимерные мишени ((СН20)п, (C2F4)n) при нормальных условиях и в вакууме (p ~ 10-2 Па). Методами интерференционной микроскопии, эмиссионной спектроскопии и тенеграфии изучены динамика массового расхода, с поверхности мишеней (m! ~ 10-5 — 10-4 г/Дж), определены спектрально-энергетические пороги лазерной абляции, распределение концентрации электронов (ne ~ 1014 — 1018 смГ3), среднемассовая скорость потока вещества, с поверхности мишени (~ 103 м/с), химический состав и средняя, тем,пера,тура, в приповерхностном плазменном образовании (T ~ 5000 К).
Ключевые слова: лазерная абляция, фемтосекундные лазерные импульсы, полимерные материалы.
Фемтосекундная лазерная абляция полимеров находит широкое применение в науке и технике, так как позволяет тонко дозировать количество удаляемого с облучаемой поверхности материала при минимальной зоне термического воздействия. Из-за высокой плотности мощности излучения изменяется механизм поглощения, открывая дополнительные возможности лазерной обработки прозрачных материалов ([1]. табл. 1). Для адекватного технологического применения лазерной абляции необходимы сведения о
1 Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5; e-mail: [email protected].
2 Объединенный институт высоких температур РАН, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13.
lg (п Гс*П)
17-75 | 500 " 18.00 1
■alt
WJm
400 500 600 700 800
мкм (а)
П *
500 600
мкм
I lg (пе [см 3])
16.25 16.50 16.75 17.00 17.25 17.50
Рис. 1: Распределение концентрации электронов в ППО оптического разряда на (СН20)п-мишени в атмосферных условиях (Л = 800 нм, Г ~ 40 Дэю/см2). Задержка после импульса: (а) Аг ~ 42 не, (б) Ат ~ 75 не.
процессах, происходящих как на облучаемой поверхности, так и в газово-плазменном потоке удаленного вещества.
Таблица 1
Линейный и эффективный (при фемтосекундном лазерном воздействии) коэффициенты поглощения пленки (С2Р4)п толщин ой 5.7 мкм
А, нм —1 ölin, СМ 1 aeff, см
266 2465 7479
400 1032 4150
800 385 3240
Процессы на поверхности и в приповерхностной зоне полимерных ((СН2О)п, (C2F4)п) мишеней, облучаемых фемтосекундными ~ 45-70 фс) лазерными импульсами в УФ-БИК диапазоне (\ijiju = 266, 400, 800 нм), исследовались при помощи интерферометрического комплекса, состоящего из интерферометров Майкельсона и Маха-Цендера [2]. Наблюдение приповерхностного плазменного образования (ППО), возникающего в результате интенсивного лазерного воздействия, в двух плоскостях позволило наиболее полно исследовать динамику формирования кратера, так как были определены оптические характеристики ППО, вносящего искажения в картину, полу-
Рис. 2: Зависимость квадрата радиуса кратера на поверхности (С2Р4)п-мишени от плотности энергии и длины волны излучения (затемненные символы и непрерывные линии - атмосферные условия, пустые символы и штриховые линии - вакуум).
чаемую в плече интерференционного микроскопа. В качестве мишеней были использованы микротомные срезы массивных образцов полимеров толщиной порядка глубины проникновения излучения (5-7 мкм), а не пленки, осажденные из растворов. Облучение происходило как в атмосферных условиях, так и в вакууме (р ~ 10-2 Па) с плотностями энергии 0.1-40 Дж/см2 при радиусе фокального пятна г0 ~ 20 мкм.
Таблица 2
Пороги абляции полимеров при различных длинах волн и длительностях импульсов
2
Мишени То.5 ~ 60 фс ТО.5 ^ ' 27 не
А = 266 нм А = 400 нм А = 800 нм А = 532 нм А = 1064 нм
(С^О п 0.25 1.35 3.34 - 0.55
0.23 1.15 2.1 - -
№0 )п > 0.8 2.04 7.05 0.84 2.32
> 0.8 1.6 6.7 - -
При различных параметрах воздействия изучены динамика массового расхода с облучаемой поверхности (интегральный удельный массовый расход зависит от энергии импульса, достигая в оптимуме при превышении спектрально-энергетического порога абляции в e раз m' ~ Ю-4 г/Дж), пространственно-временное распределение концентрации электронов в ППО (в течение первых десятков наносекунд после воздействия достигающей 1018 см-3 - рис. 1), среднемассовая скорость раз лета частиц (~ 2 • Ю3 м/с в вакууме, где скорость разлета частиц и их дисперсия по скоростям заметно превосходят эти величины в атмосферных условиях) и скорости распространения ударно-волнового фронта (при F = E/S ~ 4G Дж/см2 vsw ~ 9 км/с для (C2F4)n и vsw ~ 5 км/с для (СН2О )n).
Значения спектрально-энергетических порогов абляции для обоих полимеров имеют тенденцию к снижению с уменьшением длины волны воздействующего излучения; при облучении в вакууме значения порогов ниже, чем в атмосферных условиях (рис. 2, табл. 2). Данные. полученные для абляции ультракороткими импульсами (C2F4)n, при Л1 =
SGG нм в вакууме находятся в хорошем согласии с данным и из [3] - 2 Дж/см2 и заметно
2
что. видимо, связано с возникновением и поддержанием оптической пробойной искры у поверхности митттени или уменьшением действительной площади пятна фокусировки. Данные об оптогазодинамических процессах при фемтосекундной лазерной абляции 2 n При многократном облучении поверхности митпеней на
воздухе с частотой менее 1 Гц не отмечено эффектов накопления для 10 импульсов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] A. Ovsianikov, et al.. Laser Ablation and, its Applications (Berlin. Springer. 2007), p. 121 157.
[2] E. К). Локтионов и др.. Приборы и техника эксперимента X 3, 2010 (в печати).
[3] М. Wo mack, M. Vendan, and P. Molían, Appl. Sur. Sei. 221(1-4), 99 (2004).
[4] Z. В. Wang et al., Journal of Applied Physics 93(10), 6375 (2003).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 10 декабря 2009 г.
УДК 535.32/58
УДВОЕНИЕ ЧАСТОТЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В НЕЛИНЕЙНОМ ФОТОННОМ КРИСТАЛЛЕ ТЕТРАБОРАТА СТРОНЦИЯ
A.M. Вьюнышев1'2'*, А. С. Александре» вский1'2, А. В. Черепахин1, В.Е. Ровский2, А. И. Зайцев1'2, А. В. Замков1
Экспериментально исследован процесс генерации второй гармоники фемтосекундного лазера на титан-сапфире в режиме нелинейной дифракции в нелинейном фотонном кристалле тетрабората стронция. Спектр векторов обратной решетки доменных структур включает компоненты,, ответственные за эффективную перестраиваемую по частоте ГВГ в спектральной области 355510 нм. Максимальная эффективность ГВГ составила, 1.9%. Сужение спектра, излучения второй гармоники не превышает 10-20%. Измеренная спектральная зависимость угла нелинейной дифракции находится, в хорошем согласии с расчетом.
Ключевые слова: генерация второй гармоники, ультракороткие импульсы, нелинейный фотонный кристалл.
Расширение спектрального диапазона лазерного излучения по-прежнему остается актуальной задачей современной квантовой электроники. Особую важность представляет получение когерентного излучения в области вакуумного ультрафиолета, в том числе излучения фемтосекундной длительности, поскольку выбор нелинейных сред в этой области ограничен. В этом отношении привлекательным является кристалл тетрабората стронция (SBO). который имеет область прозрачности вплоть до 125 нм в сочетании с относительно высокими нелинейными коэффициентами. Однако ввиду малого двупреломления угловой синхронизм в SBO отсутствует. В таком случае альтернативным путем достижения эффективного нелинейно-оптического преобразования может
1 Институт физики СО РАН, 660036, г. Красноярск, Академгородок 50.
2 Сибирский федеральный университет, 660036, г. Красноярск, Свободный 79. * e-mail: [email protected]
