Лазерно-индуцированные волны просветления и потемнения в стеклокерамике Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

УДК 536.42; 539.213.27

В. П. Вейко, Е. А. Шахно, Е. Б. Яковлев, Б. Ю. Новиков

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ВОЛНЫ ПРОСВЕТЛЕНИЯ И ПОТЕМНЕНИЯ В СТЕКЛОКЕРАМИКЕ

Показано, что при воздействии на стеклокерамику лазерного излучения с длиной волны, на которой исходная поликристаллическая фаза непрозрачна, а соответствующая стеклофаза прозрачна, за счет лазерно-индуцированного структурно-фазового перехода из кристаллического состояния в аморфное (и обратно) возможна ситуация, при которой под действием непрерывного излучения в среде возникает режим автоколебательных изменений прозрачности, и соответственно в ней распространяются волны просветления и потемнения.

Введение. Известно, что лазерный нагрев стеклокерамики приводит к изменению ее структурно-фазового состояния [1]. Локальная аморфизация (стеклование) стеклокерамики, находящейся в кристаллической фазе, приводит к локальному изменению ее свойств — физических (в частности, плотности) и оптических (в частности, прозрачности в видимом и ближнем ИК-диапазонах), что создает широкие перспективы для создания элементов фотоники и микрооптики [1, 2].

На рис. 1 приведены фотографии микролинзового растра, полученного в стеклокерами-ческой пластине толщиной 0,6 мм методом локальной лазерной аморфизации. Режим обработки материала: плотность мощности излучения СО2-лазера 106 Вт/м2, начальная температура 600 °С; рис. 1, а — фотография внешнего вида, б и в — изображения, полученные при помощи данного растра. Возможность возвращения материала в исходную поликристаллическую фазу при повторном воздействии лазерного излучения (обратная кристаллизация) еще больше расширяет возможности этого метода и интерес к нему.

б)

«44

в)

Рис. 1

Эффект просветления и потемнения изучался и был подробно представлен в работах групп П. А. Скибы (см., например, [2]) и В. П. Вейко (см., например, [1]), в которых рассматривалось воздействие излучения СО2-лазера на ситалл СТ-50-1, приводящее к аморфизации (стеклованию) поликристаллического ситалла, а также к кристаллизации соответствующего стекла, находящегося в аморфном состоянии, при более мягких режимах облучения. Длина волны излучения СО2-лазера (10,6 мкм) лежит в области фундаментального поглощения силикатной стеклокерамики, поэтому поглощательная способность стеклокерамики на этой длине волны, практически одинаковая в аморфном и кристаллическом состоянии, весьма велика.

При воздействии на стеклокерамику излучения видимого и ближнего ИК-диапазона ситуация существенно изменяется. На рис. 2 представлена принципиальная схема роста амор-физированной области ситалла СТ-50-1 при воздействии излучения СО2 (а) и YAG:Nd-лaзерa (б), где кривая 1 — границы фонта аморфизации (оптической прозрачности); 2 — температура среды приблизительно равна температуре плавления; 3 — температура выше температуры плавления; 4 — зона поглощения излучения. Поглощательная способность стеклокерамики в кристаллическом состоянии вследствие сильного рассеяния достаточно велика, что приводит к быстрому разогреву облученной области. Однако по достижении температуры плавления вещество переходит в расплавленное стеклообразное состояние, и в области воздействия лазерного излучения его поглощательная способность уменьшается. В результате зона поглощения смещается к границе фронта просветления. Таким образом, резкое изменение оптических свойств материала приводит к радикальному изменению поглощения света, а также распределения падающего светового потока, температурного поля и кинетики структурных изменений. Кроме того, возникновение обратных связей между темпом разогрева и оптическими свойствами (поглощательной способностью и показателем поглощения) приводит к возникновению специфических термооптических эффектов.

Рассмотрению указанных особенностей фазовых переходов в ситалле под действием излучения YAG:Nd-лaзерa непрерывного действия и посвящена настоящая работа.

Эксперимент. Экспериментальное исследование было направлено на изучение кинетики пространственно-временных изменений прозрачности стеклокерамики — образование и распространение в ней волны просветления (и потемнения). Для исследования пространственных изменений в стеклокерамике использовалась схема, основанная на наблюдении через микроскоп и видеорегистрации явлений, происходящих в области воздействия излучения лазера на стеклокерамику. На рис. 3 представлена экспериментальная установка для исследования движения фронта просветления и временных изменений структуры стеклокерамики, где 1 — СО2- или YAG:Nd-лaзер, 2 — затвор, 3 — Ш-№-лазер, 4 — измеритель мощности, 5 — диафрагма, 6 — зеркало, 7 — цифровой пирометр, 8 и 11 — ZnSe-линзa, 9 — образец,

10 — подогреваемый координатный стол, 12 — фотоприемный элемент, 13 — осциллографи-ческая приставка, 14 — микроскоп, 15 — видеокамера, 16 — компьютер.

Для исследования временных изменений структуры стеклокерамики применялась другая схема, реализованная на той же установке (рис. 3). Определение интенсивности лазерного излучения, проходящего сквозь зону модификации и падающего на фотодиод, позволяет судить о протекании процессов фазово-структурной перестройки. Измерение температуры и скорости нагрева и остывания материала при воздействии лазерного излучения производилось при помощи быстродействующего цифрового оптического микропирометра [3].

УАв:№ СО

3

16

Рис. 3

Исследование кинетики структурных изменений в стеклокерамике под действием излучения непрерывного УАО:Кё-лазера выявило ряд принципиальных отличий от случая применения излучения СО2-лазера. Одной из наиболее важных является возможность формирования аморфизированных областей большой глубины в ситалле (большей радиуса аморфизированной области) при использовании излучения УАО:Кё-лазера, что невозможно было получить с помощью СО2-лазера. Такое отличие определяется смещением зоны поглощения в глубь материала на границу фронта плавления—аморфизации— просветления по ходу луча под воздействием излучения УАО:Кё-лазера в отличие от чисто теплового воздействия с поглощением в поверхностном слое материала при воздействии излучения СО2-лазера.

На рис. 4 приведены характерные зависимости диаметра ё (а) и глубины к (б) амор-физированной области от времени воздействия излучения лазеров при эквивалентных по-

7 2

глощенных плотностях мощности излучения (1 — для СО2-лазера 10 Вт/м , 2 — для

7 2

УАО:Ш-лазера 18-10 Вт/м ), при размере поперечного сечения лазерного пучка в

плоскости обработки 1,5 мм и предварительном нагреве приблизительно до 600 °С. Очевидны различия в кинетике геометрических параметров области аморфизации, обусловленные различным характером взаимодействия излучений СО2- и УЛО:Кё-лазеров с разными фазами ситалла СТ-50-1.

a)

б)

d, мм у у 3 2 н

о

h, мм

10

t, с

10

t, с

Рис. 4

Наиболее интересным из наблюдавшихся явлений при воздействии излучения YAG:Nd-лазера оказалось возникновение режима колебательного изменения пропускания т пластины ситалла в облученной области (рис. 5). Такие волны просветления в пластинах ситалла толщиной 0,6 мм были получены в наших экспериментах при следующих условиях: плотность

7 2

мощности излучения YAG:Nd-лaзерa — 6-10 Вт/м ; диаметр пучка излучения в плоскости обработки — 300 мкм; перед облучением использовался дополнительный подогрев до температуры 450 °С. Отметим наличие периодов стабильного фазового состояния материала ¿стаб между периодами протекания процессов аморфизации 4м и кристаллизации /кр.

кр1

кр2

Рис. 5

Проведенные исследования позволили составить следующую принципиальную картину изменения прозрачности в стеклокерамике при воздействии излучения непрерывного YAG:Nd-лaзерa в сравнении с использованием излучения СО2-лазера.

В случае воздействия излучения СО2-лазера, которое поглощается в тонком слое на поверхности стеклокерамики, толщина расплавленной области определяется теплопроводностью. Температура материала на границе этой области соответствует температуре плавления. Внутри области температура повышается по мере увеличения времени воздействия излучения, причем максимальная температура локализуется в области поглощения излучения на поверхности стеклокерамической пластины. Поскольку размеры расплавленной области определяются теплопроводностью, то в процессе проплавления стеклокерамики в глубь пластины

1

5

0

5

т

t

t

2

расплавленная область расширяется также и радиально. После полного проплавления пластины (ее просветления) процесс поглощения излучения и радиального расширения расплавленной области продолжается до достижения стационарного температурного поля всей заготовки.

При воздействии излучения непрерывного УАО:Кё-лазера процесс просветления стек-локерамической пластины происходит следующим образом. Сначала излучение также поглощается поверхностным слоем пластины и вызывает ее нагревание вблизи области поглощения. Но как только температура поверхностного слоя достигает температуры плавления, эта расплавленная область становится прозрачной для излучения. Пройдя ванну расплава беспрепятственно вглубь, излучение поглощается в кристаллической части стеклокерамики на переднем фронте изотермы плавления (аморфизации).

Температура как в области расплава, так и вне его, таким образом, не превышает температуры плавления, достигая максимального значения в области поглощения — непосредственно на фронте просветления. Глубина расплавленной области в этом случае определяется не теплопроводностью, а повышением прозрачности материала до фронта плавления. Соответственно радиальное расширение области расплава определяется значительным рассеянием, характерным для стеклокерамики в этой области спектра.

По мере проплавления глубже расположенных слоев стеклокерамики область поглощения смещается вниз. Когда толщина оставшегося кристаллического слоя пластины под ванной расплава становится сравнимой с глубиной проникновения излучения в стеклокерамику (1/а = 105 мкм [1], где а — показатель поглощения), процесс замедляется вследствие уменьшения поглощения.

При полном проплавлении стеклокерамической пластины на всю глубину она становится совершенно прозрачной в области воздействия излучения, пучок проходит через нее без поглощения и процесс нагревания прекращается. После этого вследствие постепенного оттока тепла из нагретой (расплавленной) области происходит возникновение кристаллических структур в расплаве стеклокерамики. Поглощательная способность ситалла резко увеличивается, а прозрачность уменьшается. Стеклокерамика опять начинает поглощать излучение, и процесс повторяется. Таким образом, изменение пропускание получает колебательный характер.

Анализ экспериментальных результатов. Дальнейшее исследование этого процесса проводилось в рамках теоретической термооптической модели, предложенной для рассмотрения взаимосвязанных процессов локального нагревания стеклокерамической пластины при поглощении ею лазерного излучения и изменении поглощательной способности (фазового состояния) в зависимости от температуры в области воздействия. При проведении расчетов были сделаны следующие основные допущения.

1. Температура стеклокерамической пластины принималась постоянной по толщине. Возможность применения такого допущения оправдывается тем, что пластина является термически тонкой: предварительные вспомогательные расчеты показали, что перепад температур по толщине пластины через 10 с не превышает 17 %. В расчетах принималось, что пластина насквозь проплавлена, если средняя по толщине температура в центре облученной области достигает значения температуры плавления (поскольку при воздействии УАО:Кё-лазера температура в расплавленной области примерно равна температуре плавления, а вне ее — ниже температуры плавления). Аналогичным образом принималось, что пластина кристаллизовалась, если ее средняя по толщине температура в центре облученной области упала до значения температуры кристаллизации.

2. Затраты тепла на плавление и выделение энергии при кристаллизации не учитывались. Такое допущение, естественно, несколько изменяет расчетные количественные характеристики, но не искажает качественно картину процесса. Использование этого допущения связано с отсутствием у нас достоверных данных как о собственно величине удельных энергий

плавления и кристаллизации, так и об их изменении во время периодического процесса плавление—кристаллизация в связи с наблюдавшимся эффектом неполной кристаллизации.

3. Поглощательная способность считалась постоянной на протяжении каждой ступени процесса, в действительности поглощательная способность несколько изменяется, что связано, во-первых, с достаточно большой глубиной проникновения излучения волны данной длины в стеклокерамику (~ 0,1 мм), и во-вторых, с трехмерным характером плавления и кристаллизации.

4. Плотность мощности излучения считалась постоянной в пределах облученной области. Это допущение не искажает общего характера полученных результатов. Кроме того, методика расчета предполагает возможность учета любого пространственного распределения плотности мощности излучения.

5. Потери тепла в окружающую среду не принимались во внимание.

Таким образом, изменение структурных и оптических свойств облучаемой стеклокера-мической пластины в области воздействия (изменение фазового состояния и поглощательной способности) определяется по значению средней по толщине температуры пластины в центре облученной области Т.

Температура Т определяется из задачи нагревания до температуры плавления Тпл при поглощении излучения, после чего поглощение прекращается (вследствие стеклования ситалла) и происходит остывание пластины до температуры кристаллизации Ткр за счет радиального теплоотвода, после чего вещество кристаллизуется, поглощение резко возрастает (до прежнего значения или близкого к нему), и процесс повторяется. Таким образом, процесс является существенно нелинейным, поскольку поглощательная способность изменяется с температурой, а кинетика изменения поглощающей способности зависит от времени достижения значений Тпл и Ткр.

Задача была решена методом источников. Результаты решения приведены в таблице.

Результаты решения задачи лазерного локального нагревания стеклокерамической пластины

Стадия процесса Выражение для температуры в интегральном виде Значение времени Формула

№ цикла Характер изменения температуры

1 Нагревание и плавление (поглощение излучения) t Т = J Fdt ' + Тнач 0 0 < t < t™ (1)

Остывание и кристаллизация (стеклокерамика прозрачна) пл 11 T = J Fdt ' + ^ач 0 Ç < t < t^ (2)

2 Нагревание и плавление (поглощение излучения) 11"1 t T = J Fdt' + J Fdt' + T^ 0 tf t1кр < t < t™ (3)

Остывание и кристаллизация (стеклокерамика прозрачна) t пл t™ T = J Fdt ' + J Fdt ' + Tнач 0 tKp h t™ < t < t2кр (4)

T =

q (1 - R )t

pch

1 - E2

( 2 ^ r0

4at

v J

+ T„

T =

q (1 - R )t pch

1 - E2

( 2 ^ r0

4at

v J

t -t\

r2

4a(t - С )

+ T

1 -'нач?

(1)

(2)

T =

q (1 - R )

рек

( 2 \

1 - Е2

t - Ц

t -1

4at

V У

кр

-е2

4a (t - ^пл )

t -1

кр

+ -Х- (1)-

—(1 -у)Е

4а (t - t1кр )

+ Тн

(3)

т =

q (1 - R )

рек

( 2 \

1 - е2

4аt

V

t - Я1

4а ( - t1пл)

t - £

кр

t -1

кр

—(1 -У)Е2

4а (t - ^кр )

t - й

-(1 -У)Е2

(1)-

+т

4а (t - ^пл )

(4)

Приняты следующие обозначения:

р = М

q (1 - R)

ехр

4а ^ -1')

г =0

рек

4па (t -1')

гёг.

Р

q = —г--плотность мощности падающего излучения, Р — мощность излучения, R — ко-

пг0

эффициент отражения, р, с, а — плотность, теплоемкость, температуропроводность стекло-керамической пластины соответственно, к — ее толщина, г — расстояние от центра облученной области, гт — радиус области тепловыделения в облученной пластине, у — остаточное пропускание пластины. В расчетах вследствие большого рассеяния излучения УАО:Кё-лазера в стеклокерамике принималось гт = г0 + (1—2) 5, где г0 — радиус облученной области, 5 — глубина проникновения излучения в кристаллическую фазу стеклокерамики.

На рис. 6 представлено расчетное изменение средней по толщине температуры Т пластины СТ-50-1 толщиной 0,6 мм в центре облученной области (1) (при начальной температуре Тнач) и соответствующая ему качественная зависимость изменения пропускания т пластины во времени (2). Расчет приведен для случая Р = 4,2 Вт, Тнач = 450 оС, гт = 0,45 мм. Учтено остаточное пропускание пластины со второго цикла — 0,1.

Т — Т °

* * нач?

сА

т, о.е.

300

200-" кр

100

30

60 Рис. 6

90

- 0,5

0,1

t, с

В результате проведенных вычислений показано, что скачкообразное изменение погло-щательной способности в зависимости от температуры приводит к колебательному характеру

0

изменения пропускания во времени. Динамика процесса, т.е. продолжительность циклов поглощение—пропускание, в значительной степени определяется мощностью излучения, величиной рассеяния, а также величиной остаточной прозрачности, наблюдаемой после первой кристаллизации. Продолжительность циклов непостоянна, для использованных в эксперименте и расчете данных она снижается от цикла к циклу.

Заключение. Кинетика просветления ситалла под воздействием излучения непрерывного УЛО:Кё-лазера с длиной волны 1,06 мкм для воздействия на стеклокерамические материалы существенно иная, нежели при излучении СО2-лазера. Причина различий заключается в том, что оптические свойства стеклокерамики в ближней ИК-области определяются ее фазовым состоянием: кристаллическая фаза поглощает излучение, а расплавленная — пропускает. Что касается излучения дальнего ИК-диапазона (СО2-лазер), то оно практически одинаково поглощается как в кристаллической, так и в расплавленной фазе стеклокерамики. Таким образом, характер оптических и термических явлений, наблюдаемых при облучении стеклокерамики УЛО:Кё-лазером, существенно иной, нежели при облучении СО2-лазером. Основные особенности процесса здесь определяются нелинейным характером нагрева вследствие наличия обратных связей между оптическими и термическими характеристиками — поглощательной способностью и температурой материала.

Одним из наиболее ярких примеров проявления этой нелинейности является обнаруженный экспериментально и смоделированный математически колебательный характер изменения пропускания облучаемой области стеклокерамической пластины во времени при локальном воздействии УЛО:Кё-лазера.

Обнаруженные явления открывают возможности создания новых типов элементов и устройств: от оптических переключателей до биочипов. Пример структуры элемента приведен на рис. 7, здесь а — сочетание модифицированных областей, где 1 — непрозрачная поликристаллическая фаза (керамика), 2 — прозрачная аморфная фаза (стекло); б — фотографии структуры типа „канал с мостиком", полученной методом фазово-структурной модификации ситалла СТ-50-1, где 1 — исходный образец, 2 — аморфизированная область, 3 — получение „мостика" обратной кристаллизации.

1 2 3

Рис. 7

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ НШ.5967.2006.8, РФФИ 07-02-00887а, Госконтракта РНП 2.1.1.784 и частично при поддержке гранта NATO CBP. EAP.CLG 982748.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вейко В. П., Киеу К. Лазерная аморфизация стеклокерамик: основные закономерности и новые возможности изготовления микрооптических элементов // Квант. электрон. 2007. Т. 37, № 1. C. 92—98.

2. Скиба П. А. Лазерная модификация стекловидных материалов. Минск: БГУ, 1999.

3. Veiko V. P., Yakovlev E. B., Kromin A. K., Chuiko V. A. et al. Laser technologies for miniature optical elements: approaches and solutions // Proc. SPIE. 1993. Vol. 1992. P. 114—127.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

лазерных технологий 26.12.07 г.

и экологического приборостроения

УДК 533.6.011

Н. Ю. Быков, Г. А. Лукьянов , Л. Ю. Николаева

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ И ИХ НАПЫЛЕНИЯ НА ПОДЛОЖКУ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ

Предложена комплексная модель, описывающая процессы образования кластеров в облаке пара продуктов лазерной абляции и их осаждения на плоской подложке при формировании тонкой пленки. Выполненные численные исследования позволяют установить общие закономерности между параметрами течения пара (включая параметры кластеров) и свойствами получаемых пленок.

Введение. Одним из перспективных направлений развития наноиндустрии является разработка технологий напыления пленок, обладающих особыми свойствами. Пленки, содержащие нанокластеры, находят широкое применение в оптике, микроэлектронике и машиностроении [1, 2]. Они являются основным продуктом соответствующих нанотехнологий, включающих процессы формирования наночастиц, их транспортировки к подложке и непосредственно осаждения на ней.

Распространенным методом получения пучков нанокластеров является импульсная лазерная абляция (ЛА) материалов [1]. Лазерная абляция включает разнообразные взаимосвязанные процессы: поглощение лазерного излучения материалом мишени, нагрев и испарение вещества, разлет облака пара продуктов ЛА, сопровождающийся его охлаждением и образованием наночастиц, взаимодействие потока атомов и кластеров с поверхностью подложки и формирование покрытия. Вследствие сложности технологии получения пленок методом ЛА полной модели, связывающей начальные параметры (параметры излучения и материала мишени) со свойствами конечного продукта (пленки), в настоящее время не существует. Разработка модели для широкого диапазона технологических параметров оказывается трудоемкой задачей в связи с необходимостью использования разных моделей абсорбции лазерного излучения веществом и нагрева мишени в зависимости от длительности и энергии лазерного импульса, а также из-за отсутствия полной информации о природе и механизмах появления кластеров в потоке испаренного материала, сложности описания возникающего при ЛА течения в вакуум или разреженный газ вследствие его неравновесного характера и пр.

В настоящей работе представлена полная модель формирования пленки методом ЛА для случая импульсов лазерного излучения умеренной интенсивности наносекундного диапазона.