ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 535.212
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСА ОТДАЧИ ПРИ БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ © 2013 г. Е. Ю. Локтионов, Ю. С. Протасов, Ю. Ю. Протасов
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005Москва, Россия
E-mail: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 11.10.2012 г.
Одним из путей увеличения импульса отдачи при лазерной абляции металлов является применение ультракоротких импульсов излучения, так как за счет уменьшения теплового рассеяния существенно возрастает объемная плотность энергии в веществе мишени. С использованием методов комбинированной интерферометрии выполнены оценки удельного импульса (~200—900 с), удельного механического импульса отдачи (~2 х 10-5—3 х 10-4 Н с/Дж), эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (~0.05—0.82) и степени монохроматичности газово-плазменного потока (~0.72—0.92) при фемтосекундной (т ~ 45 фс, X ~ ~ 800 нм) абляции ряда тугоплавких металлов (Ti, Zr, Mo, Nb) в вакууме.
DOI: 10.7868/S0030403413110147
ВВЕДЕНИЕ
Исследования эффективности генерации импульса отдачи при лазерной абляции конденсированных сред являются ключевыми для характе-ризации эффективности рабочих процессов и развития лазерного управляемого термоядерного синтеза [1] и лазерно-плазменных двигателей [2, 3], важны для создания инжекторов газово-плазменных потоков [4], технологии прямого ла-зерно-индуцированного переноса вещества [5], лазерно-плазменного нанесения тонкопленочных покрытий [6], инициирования процессов в микроэлектромеханических системах [7].
При воздействии на конденсированные среды лазерного излучения с плотностью энергии, превышающей порог абляции, генерируется газово-плазменное образование, одними из характеристик которого являются количество вовлеченных в поток частиц и их распределение по скоростям. При воздействии на металлы энергия лазерного излучения поглощается в тонком (~10-8—10-7 м) приповерхностном слое, что способствует сообщению большой доли поглощенной энергии лазерного излучения единичному атому. Высокая теплопроводность металлов способствует рассеянию этой энергии в толще вещества, при этом размер зоны термического воздействия обратно пропорционален длительности импульса излучения [8]. Скорость атомов и ионов в лазерно индуцированном плазменном образовании в значительной мере зависит от того, какая доля энергии, первоначально сообщенной атому, будет рассеяна
в тепло [9]. Воздействие ультракоротких импульсов лазерного излучения позволяет значительно уменьшить долю рассеянной в тепло энергии, при этом увеличивается скорость разлета частиц (удельный импульс реактивной струи), а пороговая энергия импульсов лазерного излучения уменьшается до микро- и наноджоулей, что снижает также минимальный бит импульса отдачи (критическую величину для прецизионного позиционирования космических аппаратов) до уровня ~10-11 Н с [10].
Большинство работ по исследованию фемто-секундной лазерной абляции металлов посвящено сравнительно легко аблирующим меди и алюминию, в том числе потому, что для преодоления спектрально-энергетических порогов абляции тугоплавких металлов требуются более мощные лазерные установки [11]. Многие элементы конструкций космических летательных аппаратов, изготовленные из тугоплавких металлов и их сплавов, становятся ненужными после вывода полезной нагрузки на заданную орбиту, и теоретически могут быть использованы в качестве топлива для лазерных ракетных двигателей, что обусловливает актуальность исследования эффективности генерации импульса отдачи именно при воздействии ультракоротких импульсов лазерного излучения — когда спектрально-энергетические пороги лазерной абляции минимальны.
Целью настоящей работы является получение новых экспериментальных данных об эффективности генерации импульса отдачи при ближней
инфракрасной (БИК) фемтосекундной лазерной абляции тугоплавких металлов в вакууме и их сравнение со случаями воздействия более длинных импульсов излучения и воздействия в атмосферных условиях.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСА ОТДАЧИ
Важным параметром, характеризующим эффективность генерации силы тяги при лазерной абляции, является удельный механический импульс отдачи Ст, определяемый как отношение полного импульса светоэрозионного газово-плазменного потока (интеграл реактивной силы Е по времени, в первом приближении импульс отдачи может быть определен как произведение массового расхода Ат и среднемассовой скорости частиц к энергии лазерного импульса Е или в случае непрерывного лазерного воздействия как отношение давления на поверхности мишени р к плотности мощности излучения 10 [12, 13]:
Ст = £ / F(ун
Для большинства металлов удельный механический импульс отдачи при оптимальных параметрах и режимах лазерного воздействия не превышает 5 х 10-5 Н с/Дж [12]. Удельный импульс 1р характеризует эффективность расхода рабочего вещества для генерации реактивной силы:
= X т^/X т§ ~ (У)!8,
где g — ускорение свободного падения на уровне моря.
Эффективность лазерной абляции может быть рассчитана с учетом различных форм энергии, в которые происходит преобразование энергии лазерного излучения и энергии, запасенной в веществе мишени. Чаще всего используется отношение кинетической энергии направленного движения частиц в газово-плазменном потоке к энергии импульса лазерного излучения — тяговая эффективность лазерной абляции:
П
= X mv2/2£ * Ат<у)2/2Е * 8СтТ1р/2.
Эффективность преобразования кинетической энергии продуктов лазерной абляции в полезную работу по созданию импульса отдачи характеризуется степенью монохроматичности га-зово-плазменного потока:
И
Xmvг/Xт^2 V(V2>,
где у — проекция скорости частицы на ось газо-во-плазменного потока.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Воздействие БИК (X ~ 800 нм) излучения Т : А1203-лазера фемтосекундной длительности (т ~ 45 фс) осуществлялось в вакууме (р ~ ~ 10-4 мбар) на тонкие пленки (8 ~ 200 нм) технических чистых металлов (Мо, МЪ, И, Zr), нанесенные методом магнетронного распыления на стекло. Результат воздействия лазерного излучения регистрировался с временными задержками Ат ~ 12—75 нс при помощи интерферометров поверхности (схема Майкельсона) и приповерхностной зоны (схема Маха-Цендера) [14]. В результате обработки интерферограмм определены массовый расход с поверхности мишени и распределение концентрации электронов в лазерно индуцированном газово-плазменном потоке, на основе которого выполнена оценка распределения частиц по скоростям (аналогичность распределения по скоростям электронов и ионов в газово-плазменном потоке при воздействии фемтосекундных импульсов лазерного излучения экспериментально показана в [14]). На основе этих данных выполнены оценки параметров эффективности генерации импульса отдачи: среднемассовой скорости (V) (удельного импульса /8р), удельного механического импульса отдачи Ст, степени монохроматичности потока ц и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока п. Методика проведения эксперимента и обработки его результатов подробно описана в [15, 16].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как известно, импульс отдачи определяется скоростью реактивной струи и массой вещества, заключенной в ней. Среднеквадратичная скорость частиц определяется их температурой, а осевая проекция скорости (среднемассовая скорость) — степенью монохроматичности потока ц. Распределение частиц по скоростям для исследованных металлов имеет два отчетливо выраженных максимума, соответствующих наиболее вероятным скоростям атомов и первых ионов [17] с максвелловским распределением по скоростям при температурах ~1—3 эВ. Аналогичные распределения получены для титана методами фотометрии изображений газово-плазменного потока в [18].
Характер зависимости среднемассовой скорости от плотности энергии воздействующего лазерного излучения для Т — выраженная прямо пропорциональная, для Zr и № — слабая обратно пропорциональная, нечеткая зависимость для Мо. В [19] для наносекундного воздействия показано, что даже для номинально чистого вещества (алюминия) в зависимости от состояния поверхности
8 -
6 -
4 -
Am/E, г/Дж 10-'
- 800
600 о
л
4е
400
- 200
0.9
10
W, Дж/см2
(б)
10
W, Дж/см2
Рис. 1. Среднемассовая скорость частиц (удельный импульс) (а) и степень монохроматичности газово-плазменного потока (б) (1 — Mo, 2 — Zr, 3 — Ti, 4 — Nb).
(анодированная, очищенная металлической щеткой, зеркальная) для одних и тех же условий воздействия зависимость среднемассовой скорости от энергии лазерных импульсов может иметь максимум, быть обратно и прямо пропорциональной. Скорость частиц при аналогичной интенсивности воздействия в наших экспериментах несколько уменьшалась с течением времени (до 1.5 раз в интервале с 12 по 57 нс после воздействия) вероятнее всего вследствие взаимодействия с частицами буферного газа (воздух), остаточная концентрация которых составляла ~2.5 х х 1012 см-3.
В работе [20] на основании качественного анализа голографических интерферограмм газово-плазменных потоков сделан вывод о присутствии в газово-плазменном потоке частиц с большим импульсом и направлением скорости, близким к нормали к поверхности мишени (что соответствует высокой степени монохроматичности потока ц). Результаты, представленные на рис. 1б, количественно подтверждают это предположение. При этом для № и Хх зависимость ц от плот-
10-
10-
10
1-1
_|_I_I 111111
10°
★
_|_I I I I 111
_I_I_I I I I 111
101
102
W, Дж/см2
Рис. 2. Удельный массовый расход при лазерной абляции титановых мишеней в вакууме: ■ — 45 фс, 800 нм;
• — 200 фс, 775 нм, [30]; А — 80 фс, 800 нм [31]; ♦ — Т!6А14У, 10 пс, 1064 нм [32]; * — 9 нс,1064 нм [33] (для работ, где массовый расход или объем кратера не приведены в явном виде, т/Е = (0.5)рк/Ж, где к — глубина кратера).
ности энергии излучения не выражена, для Mo выражена слабо, а для Ti имеет максимум вблизи точки перехода из низкоэнергетичного в высоко-энерг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.