CC BY
42
ФОРМИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРИСТЫХ СТРУКТУР МАТЕРИАЛОВ
Н.Л. Казанский1, С.П. Мурзин2, А.В. Меженин2, Е.Л. Осетров2 1 Институт систем обработки изображений РАН, 2 Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева
Аннотация
Определены зависимости угла поворота отрезка в фокальной плоскости, фокусного расстояния и длины фокального отрезка в зависимости от угла поворота подвижного фокуса-тора, представляющего собой зонное зеркало с рабочей поверхностью в форме гиперболического параболоида. Обоснована целесообразность его применения для реализации лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым пространственным распределением мощности. При таком воздействии в приповерхностном слое твердокристаллического материала - латуни Л63 формируется наноразмерная пористая структура, представляющая собой слой, обогащенный медью.
Ключевые слова: подвижный фокусатор, формирование излучения, лазерное воздействие, наноразмерные пористые структуры.
Введение
Области применения наноструктурированных твер-докристаллических материалов и изделий из них в различных сферах деятельности значительно расширяются [1-3]. Существующие методы и технологии изготовления таких материалов характеризуются значительными ограничениями по минимальным размерам пор, а сами изделия - низкими механическими свойствами при ударе, изгибе и других деформациях, низкой проницаемостью из-за повышенной толщины при использовании в качестве фильтрующих элементов и высокой стоимостью [4]. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляют вопросы создания новых методов наноструктурирования твердокристалли-ческих материалов. Для получения таких структур эффективным является применение метода сублимации более легко испаряющегося компонента сплава [5, 6].
Формирование наноразмерных пористых структур материалов с улучшением физико-механических свойств при лазерном воздействии достигается путем создания определенного пространственного профиля интенсивности излучения в заданной области на поверхности объекта. Для управления профилем интенсивности целесообразно применить подвижный фоку-сатор излучения в отрезок, форма рабочей поверхности которого представляет собой аналог гиперболического параболоида.
Целью данной работы является исследование параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения и разработка рекомендаций для реализации метода создания наноразмерных пористых структур твердокри-сталлических материалов лазерным воздействием с целенаправленно изменяемым распределением плотности.
Исследование параметров фокального отрезка при формировании излучения подвижным фокусатором
Установлены закономерности изменения фокусного расстояния, длины и угла поворота фо-
кального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора, представляющего собой зонное зеркало, составленное из частей гиперболического параболоида, смещенных по высоте на расстояние mX /(2cos6), где m - целое число, X - длина волны излучения, 6 - угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости оптического элемента. Оптический элемент имеет следующие параметры: фокусное расстояние / = 0,835 м, максимальный радиус фокусируемого пучка R = 17,5-10-3 м, угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости фокусатора 6 = 45°.
Проведен расчет влияния величины угла поворота подвижного фокусатора на изменение угла поворота лазерного пятна в фокальной плоскости, длины фокального отрезка и фокусного расстояния. Принято, что поверхность фокусатора эквивалентна поверхности соответствующего гладкого зеркала. Расчет проводился в следующей последовательности: дискретизация расчетной области оптического элемента; определение границ области излучения, падающего на оптический элемент; вычисление мощности излучения, падающего на элементарную площадку области фокусатора; расчет матрицы значений проекций углов наклона к оптической оси излучения лучей, отразившихся от оптической поверхности; вычисление матрицы значений координат пересечения отразившихся от фокусатора лучей с фокальной плоскостью; определение матрицы значений плотности мощности излучения в расчетной области и ее коррекция с учетом расходимости.
При повороте на угол ф такого оптического элемента происходит поворот лазерного пятна в фокальной плоскости на угол ф!, длина лазерного отрезка L уменьшается и изменяется положение фокальной плоскости. В результате аппроксимации расчетных данных полиномами по методу наименьших квадра-
2008
Компьютерная оптика, том 32, №3
тов были получены выражения, описывающие функциональную связь фДф), f (ф) и L (ф):
£ 103 м.
ф1 = 0,068-ф3 -0,318-ф2 +1,334-ф ,
£ = (19,394 - ф8 - 243,71 - ф7 +1227,6 - ф6 --3154,1-ф5 + 4257,7-ф4 -2614,4-ф3 + +294,83 - ф2 -132,73 - ф + 835,0) -10-3 [м],
L = (0,13-ф6 -1,22-ф5 + 3,35-ф4 -0,883-ф3 + +5,0-ф2 -0,175-ф + 22,4)-10-3[м],
(1) (2)
(3)
где ф е [0, п] - угол поворота фокусатора (рад).
Экспериментальные исследования влияния угла поворота подвижного фокусатора на изменение угла поворота лазерного пятна в фокальной плоскости, длины фокального отрезка и фокусного расстояния проведены на лазерном технологическом оборудовании. Использовался С02 слэб-лазер ROFIN DC 010 с диффузионным охлаждением и высокочастотной накачкой, предназначенный для промышленного применения в процессах резки или сварки. Выходная мощность лазерной установки регулировалась в диапазоне 100...1000 Вт. Диаметр выходного пучка с гауссовским распределением интенсивности составлял 20-10-3 м, а расходимость - не более 0,15-10-3 рад.
На рис. 1-3 представлены результаты расчета и экспериментальных исследований параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения.
<Р,
3я/4
0 я/4 л/2 3я/4 (р
Рис. 1. Зависимость угла поворота фокального отрезка от угла поворота фокусатора
Проведенные исследования позволили обосновать целесообразность применения подвижного фо-кусатора излучения, представляющего собой зонное зеркало с рабочей поверхностью в форме гиперболического параболоида, для реализации лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности.
725
600
475
350
0 п/4 л/2 3п/4 (р
Рис. 2. Изменение фокусного расстояния £ при повороте фокусатора на угол ф
Ь, 103 м
22,5
17,5
0 п/4 я/2 3я/4 (р
Рис. 3. Зависимость длины фокального отрезка от угла поворота фокусатора. Радиус фокусируемого пучка RФ =1010-3 м
Применение фокусатора излучения при реализации метода создания наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов лазерным воздействием
Проведены экспериментальные исследования влияния лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности на структуру приповерхностного слоя глубиной до 10...20 мкм твердокристаллического материала -латуни Л63. Для исследования были подготовлены образцы размером 70*20*2 мм. Их поверхность до лазерного воздействия специальной обработке не подвергалась. Образцы либо размещались на подложке из материала с низкой теплопроводностью, либо закреплялись в фиксаторах при минимальной площади контакта с установочным приспособлением.
Нагрев образцов осуществлялся квазинепрерывным лазерным излучением с частотой следования импульсов до 5 кГц. Исследования показали, что при воздействии лазерного излучения мощностью 150...500 Вт наблюдалось покраснение обращенной к излучению поверхности образцов. С увеличением времени воздействия интенсивность окраски поверхности усиливалась. Измерения массы образцов проводились с использованием аналитических весов WA-31 с точностью 0,05 мг. Отмечено уменьшение массы образцов до 0,1. 0,2 %.
Проводилось исследование приповерхностного слоя латуни после лазерного воздействия. Подготовка поверхности образца для микроструктурных исследований на инструментальном металлографическом микроскопе МИМ-8 осуществлялась механической обработкой, электролитической полировкой, а также ионным травлением на установке ВУП-2. На рис. 4 представлена микроструктура приповерхностного слоя материала после лазерного нагрева в течение 30 минут. Установлено, что в приповерхностном слое материала формируется нано-размерная пористая структура.
Рис. 4. Микроструктура приповерхностного слоя образца из сплава Л63 после лазерного воздействия (увеличение *1000): 1 — нанопористый слой; 2 — исходная структура
Установлено, что лазерное воздействие на поверхность твердокристаллического материала вызывает изменение рельефа поверхности. В зависимости от температуры нагрева, времени выдержки и состояния поверхности эти изменения проявляются как в развитии (образовании углублений в виде канавок с клинообразным асимметричным поперечным сечением), так и в сглаживании рельефа.
Рентгеноспектральный анализ проводился с использованием растрового электронного микроскопа РЭМ 100У. Зарегистрировано изменение химического состава, т. е. концентрации компонентов сплава в приповерхностном слое. Поверхность образцов после обработки представляла собой слой, обогащенный ме-
дью, что установлено результатами спектрографического анализа и рентгенографических исследований.
После длительного воздействия лазерного излучения на рентгенограммах исчезают линии латуни и появляются линии, характерные для меди.
Заключение
Проведены исследования параметров фокального отрезка при изменении пространственного положения подвижного фокусатора излучения, представляющего собой зонное зеркало с рабочей поверхностью в форме гиперболического параболоида. При повороте на угол ф такого оптического элемента происходит поворот лазерного пятна в фокальной плоскости на угол ф1, длина лазерного отрезка L уменьшается и изменяется положение фокальной плоскости. Проведенные исследования позволили обосновать целесообразность применения подвижного фокусатора излучения для реализации лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности.
Проведены экспериментальные исследования влияния лазерного воздействия с целенаправленно изменяемым распределением плотности мощности на структуру приповерхностного слоя твердокристалли-ческого материала - латуни Л63. Показано, что при воздействии лазерного излучения мощностью 150.500 Вт в приповерхностном слое материала формируется наноразмерная пористая структура, представляющая собой слой, обогащенный медью.
Литература
1. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию / M. Мулдер; пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 513 с. (M. Mulder. Basic principles of membrane technology. Boston. 1991).
2. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси; пер. с японск. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 134 с. (N. Kobayashy. Introduction to Nanotech-nology. N.Y. 1999)
3. Перспективные материалы. Т. 1. Структура и методы исследования / под ред. Д.Л. Мерсона. - ТГУ, МИСиС, 2006. - 536 с.
4. Перспективные материалы. Т. 2. Конструкционные материалы и методы управления их качеством / под ред. Д.Л. Мерсона. - ТГУ, МИСиС, 2007. - 468 с.
5. Применение фокусаторов излучения при формировании нанопористых структур твердокристаллических материалов / Н.Л. Казанский, С.П. Мурзин, В.И. Трегуб, А.В. Меженин // Компьютерная оптика, 2007. - Т. 31, № 2. - С. 48-51.
6. Мурзин, С.П. Формирование наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов при воздействии лазерного излучения / С.П. Мурзин, В.И. Трегуб, А.В. Меженин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2008. - Т. 10, №3.
