научная статья по теме НЕЛИНЕЙНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МНОЖЕСТВЕННЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МНОЖЕСТВЕННЫХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ»

Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 5, с. 382-389 © 2015 г. 10 марта

Нелинейная эволюция рельефа поверхности алюминия под действием множественных фемтосекундных лазерных импульсов

А. А. Ионин+, С. И. Кудряшов+ *, C.B. Макаров+ уЛ\ А. А. Руденко+, С. В. Селезнев^, Д. В. Синицын+,

Т. П. Каминская0, В. В. Попов0

+ Физический институт им. Лебедева РАН, 11991 Москва, Россия * Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия х Университет информационных технологий, механики и оптики, 197101 С.-Петербург, Россия ° МГУ им. Ломоносова, 11991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 14 января 2015 г. После переработки 26 января 2015 г.

Изучены особенности интерференционного распределения электромагнитного поля на поверхности алюминия в режиме формирования периодических поверхностных структур (ППС) под действием фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что ключевую роль в нелинейной эволюции рельефа с ростом числа импульсов играет нелинейная зависимость оптической обратной связи от геометрических параметров ППС. Наиболее сильная обратная связь наблюдается для периодов ППС в диапазоне Л = 0.65Л—0.75Л при модуляции рельефа h = 0.15Л—0.2Л, где Л - длина волны лазера. Полученные результаты объясняют часто наблюдаемое формирование ППС с близкими значениями периодов Л ~ Л/(1.5 ± 0.2) для различных материалов, у которых мнимая часть диэлектрической проницаемости много больше единицы и сопоставима с модулем отрицательной действительной части.

DOI: 10.7868/S0370274X15050136

1. Введение. Формирование периодических поверхностных структур (ППС) под действием ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов (УКИ) является одним из самых интересных и перспективных физических явлений в области лазерной обработки поверхностей всевозможных материалов. Лазерное формирование ППС успешно используется для цветовой маркировки [1], просветления [2,3] и локальной химической модификации [3,4] поверхностей, возбуждения гигантского комбинационного рассеяния [5] и т.д. Однако всесторонняя теоретическая модель, позволяющая предсказывать эволюцию рельефа ППС для различных материалов при заданных условиях воздействия УКИ, до сих пор не представлена.

В последнее время для описания формирования ППС под действием УКИ предлагаются различные оригинальные модели, основанные на анализе различных поверхностных неустойчивостей [6, 7]. Однако стоит признать, что развитая в 1980-е годы для более длинных лазерных импульсов (длительность >10~ис) так называемая интерференционная модель [8-10], подразумевающая возбуждение поверх-

e-mail: makarov_sergey_vl@mail.ru

ностных электромагнитных волн (ПЭВ), которые интерферируют с падающим излучением, наиболее адекватно описывает зависимость параметров ППС от поляризации, угла падения [11] и длины волны

[12.13] лазерного излучения, а также от плотности энергии [12,14]. Вместе с тем особенность формирования ППС с помощью УКИ проявляется в том, что в течение поглощения одного УКИ рельеф поверхности практически не меняется. Это позволяет рассматривать только задачу о неоднородном распределении лазерной энергии на структурированной поверхности, оптические свойства которой мгновенно меняются в ходе фотовозбуждения и нагрева электронной подсистемы.

Предложенные ранее подходы для аналитического решения данной задачи применимы либо только к идеально ровной поверхности [10], либо к шероховатым поверхностям с очень малой амплитудой модуляции рельефа к [8, 9,14], т.е. для 1г/\ <С 1, где А -длина волны лазера, что дает хорошее количественное согласие с интерференционной моделью только для малого числа импульсов N < 10, когда значения периодов находятся в диапазоне Л = Л/ (1 —1.1)

[11.14]. Напротив, для больших экспозиций (Ж

10), создающих ППС с амплитудой модуляции к

до нескольких сотен нанометров (/г/Л < 1), экспериментально наблюдались значения периодов ППС в диапазоне Л = Л/(1.3—1.7) [2,3,5,15,16]. Важно заметить, что такие существенно субволновые значения периодов достигались даже при условиях, когда длина волны ПЭВ для ровной поверхности практически равнялась длине волны возбуждающего ее излучения [5,15,16].

В последнее время интенсивно развивались численные подходы к решению задачи о распределении поглощенной лазерной энергии УКИ на поверхности с достаточно сильной модуляцией рельефа. Например, решение такой задачи в трехмерном случае позволило получить пространственные фурье-спектры распределения поглощенной энергии на неровной поверхности, что дало представление о характерных периодах и ориентациях возникающих ППС при различном уровне фотовозбуждения материала [17]. Однако подобный подход не дает информации о том, где именно находятся максимумы интерференции падающего и дифрагировавшего поля, т.е. происходит нагрев вершин или долин рельефа, что крайне важно для понимания эволюции ППС. В других работах [18,19] проводилось двухмерное численное моделирование интерференционного распределения вложенной энергии на ППС с целью только качественной демонстрации эффектов уменьшения периода ППС с ростом их амплитуды без количественного сопоставления с экспериментальной зависимостью периода от амплитуды ППС.

В данной работе проведено численное моделирование эволюции распределения поглощенной лазерной энергии на ППС, которое находится в хорошем количественном согласии с полученными экспериментальными данными. В качестве исследуемого материала был выбран алюминий. Его оптические свойства относительно слабо меняются во время поглощения УКИ, что упрощает моделирование эволюции ППС и позволяет выделить чисто дифракционные эффекты. Показано, что полученные для алюминия закономерности могут быть обобщены на обширный круг материалов, у которых мнимая часть диэлектрической проницаемости много больше нуля и сопоставима с модулем отрицательной действительной части.

2. Экспериментальная часть. Для структурирования поверхности использовались линейно поляризованные фемтосекундные (г « 100 фс) лазерные импульсы, генерируемые титан-сапфировой лазерной системой с регенеративным и многопроходо-вым усилителями (Авеста Проект) с частотой следования импульсов 10 Гц и длиной волны Л « 744 нм.

Максимальная энергия в импульсе составляла 5 мДж в ТЕМоо-моде. Энергия в импульсах менялась и контролировалась при помощи ослабителей и пироэлектрического измерителя энергии OPHIR, соответственно. Фокусировка лазерного излучения на поверхность осуществлялась при помощи линзы с фокусным расстоянием 80 мм. Образец располагался на расстоянии 10 мм от фокальной плоскости линзы, что обеспечивало фокусировку лазерного пучка в пятно с радиусом по уровню 1/е й й 0.25 мм. Образец алюминия представлял собой фольгу толщиной 0.1мм с механически полированной поверхностью (уровень шероховатости Ra « 0.05мкм). Во время лазерного облучения в воздухе образец располагался на трехмерной моторизованной трансляционной платформе Standa, способной перемещаться по трем осям. Облучение неподвижной поверхности проводилось при различном числе импульсов в диапазоне N = 1 — 1 • 103. Полученные ЛИ ППС исследовались при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ, JEOL 7001F), а также атомно-силового микроскопа (ACM, MT-MDT SMENA А) с кремниевым кантилевером с радиусом кривизны наконечника 10 нм.

3. Экспериментальные результаты. На рис. 1 показаны наблюдаемые в эксперименте основные стадии эволюции рельефа ППС на поверхности алюминия с ростом числа импульсов. При N = 1 появление первичных ППС с периодом Л « Л на поверхности наблюдалось около начальных нанотре-щин (рис. 1а). При F > 0.5Дж/см2 и N > 1 происходят деградация первичных ППС и формирование разупорядоченной наношероховатости с амплитудой h > 100 нм. В условиях 0.2 < F < 0.4Дж/см2 и 3 < N < 70 появляются и нарастают ППС с плавно уменьшающимся периодом в диапазоне Л > Л > 0.6Л (рис. lb—d) с последующей деградацией при N > 70 (рис. 1е и f). При F < 0.2Дж/см2 наблюдаются квазиупорядоченные нанорешетки с периодом около 0.25Л, поперечные относительно вышеуказанных ППС, что ранее связывалось с развитием кавитаци-онной неустойчивости [20].

Существование двух путей эволюции ППС в зависимости от плотности лазерной энергии в первую очередь связано с различными режимами абляции. Если плотность энергии лежит в диапазоне 0.5—0.9Дж/см2, примерно соответствуя порогу от-кольной абляции Fspa\\ ~ 0.7 Дж/см2 для ровной поверхности алюминия [21,22], то в минимумах рельефа ППС формируется нанопена (рис. 1а), что находится в хорошем согласии с предсказаниями молекулярной динамики [23]. Глубина возникающих за

Рис. 1. СЭМ изображения поверхности алюминия после воздействия УКИ при следующих условиях: N = 1 иРк 0.9Дж/см2 (а), ^ га О.ЗДж/см2 (М) при соответствующих экспозициях N. Двойная стрелка указывает направление поляризации.

электромагнитного (ЭМ) поля на структурированной поверхности проводился путем решения волнового уравнения V х (V х Е) — (кп)2еЕ = 0, где ко - волновой вектор падающего излучения в вакууме, V - векторный оператор частной производной по пространственным координатам, е - диэлектрическая проницаемость алюминия. Рассматривалось падение плоской монохроматической электромагнитной волны на структурированную поверхность с симметричным пилообразным профилем с периодом Л и полной амплитудой /? со скругленными вершинами и впадинами с радиусом кривизны Л/5. Решение уравнения проводилось в двумерном случае методом конечных элементов. Омические потери ЭМ-волны на нагрев поверхности пределялись как <3 = сг|-Е|2, где <т - проводимость, а Е - локальное значение амплитуды суммарного электрического поля в материале.

4.1. Мгновенные оптические постоянные фотовозбужденного алюминия. Для УКИ моделирование распределения вложенной лазерной энергии возможно без учета модуляции рельефа в течение импульса [23]. Вместе с тем необходимо учитывать процесс фотовозбуждения поверхности алюминия, так как быстрый нагрев электронов проводимости до температур Те порядка нескольких электрон-вольт существенно влияет на оптические свойства металла. Из модели Друде с учетом вклада решетки £;ь имеем следующее выражение для диэлектр

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.

Показать целиком