ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 5, с. 766- 778
УДК 536.37, 536.331
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПОЛИМЕРНОГО РЯДА © 2010 г. Е. Ю. Локтионов1, А. В. Овчинников2, Ю. Ю. Протасов1, Д. С. Ситников2
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана 2Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 26.11.2009 г.
Описаны экспериментально-диагностический модуль с фемтосекундным тераваттным лазерным комплексом (т0.5 ~ 45—70 фс, X = 266, 400, 800 нм), разработанная впервые методика сверхскоростной комбинированной интерферометрии и интерференционной микроскопии (схемы Майкельсо-на и Маха—Цендера) процессов взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с конденсированными средами в вакууме. Впервые приводятся результаты исследования спектрально-энергетических порогов и скоростей лазерной абляции ряда твердотельных сред на основе элементов полимерного ряда (C2F4)B, (CH2O)B в УФ-БИК-диапазоне длин волн лазерного излучения в атмосферных условиях и вакууме p ~ 10-2 Па.
ВВЕДЕНИЕ
Потенциальные преимущества применения фемтосекундных импульсов лазерного излучения для абляции конструкционных материалов энергоустановок высокой плотности мощности связаны с существованием режимов воздействия, при которых отсутствует плазменная экранировка падающего когерентного излучения, и малой глубиной прогрева аблирующего вещества за время лазерного воздействия [1]. Следствием этого является незначительность или полное отсутствие жидкой фазы, возможность непосредственной передачи энергии излучения в тонкий слой испаряемого конденсированного вещества и высокоточная пространственная локализация лазерного воздействия, ограниченная лишь дифракционными эффектами [2]. Кроме того, импульсная фемто-секундная лазерная абляция является мощным научным инструментом и представляет общефизический интерес, так как открывает новые возможности в области неравновесной термодинамики, генерации наноструктур, ускорительной техники, лабораторного моделирования процессов в звездных атмосферах, вспышках сверхновых и др. [3].
Известны результаты исследований спектрально-энергетических порогов фемтосекундной лазерной абляции металлов [4] и прозрачных кристаллических и аморфных диэлектриков [5], число же работ, посвященных исследованию порогов абляции полимерных материалов ультракороткими лазерными импульсами, весьма ограничено, а анализ приведенных в них данных затруднен зна-
чительным разбросом значений параметров воздействия и отсутствием унифицированной методики определения спектрально-энергетического порога лазерной абляции.
Воздействие ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов на полимерные среды характеризуется рядом особенностей динамики фазовых переходов "твердое тело—жидкость—газ— плазма", которые в первую очередь связаны с изменением механизма поглощения когерентного излучения, макроструктуры и динамики приповерхностного плазменного образования (ППО). Важной оптико-теплофизической характеристикой вещества и одним из наиболее информативных параметров, определяющих эффективность взаимодействия импульсов лазерного излучения с конденсированными средами, является спектрально-энергетический порог лазерной абляции — плотность энергии лазерного излучения, при которой начинает происходить удаление вещества с облучаемой поверхности. Кроме того, экспериментальные данные о спектрально-энергетических порогах и скоростях лазерной абляции принципиально важны не только для определения характеристик физико-химических процессов лазерного воздействия на вещество, но и для построения многопараметрических и многофакторных математических моделей оптико-тепло-физических и радиационно-газодинамических нестационарных процессов и критических явлений взаимодействия.
В настоящей работе описан экспериментально-диагностический модуль с фемтосекундным лазерным комплексом (длительность импульса при полуамплитудной интенсивности т05 ~ 45—70 фс,
= 266, Х2 = 400, Х3 = 800 нм) для комбинированной сверхскоростной интерферометрии приповерхностного плазменного образования (схема Маха—Цендера) и интерференционной микроскопии поверхности (схема Майкельсона), с помощью которых осуществлена регистрация процессов взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с конденсированными средами в вакууме и SD-геометрии кратера. Впервые приведены результаты экспериментального определения спектрально-энергетических порогов и скоростей фемтосекундной лазерной абляции конденсированных сред на основе элементов полимерного ряда (типа полиформальдегида (СН2О)и и фторопласта (C2F4)b) в УФ-БИК-диапазоне спектра в вакуумных условиях.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Экспериментально -диагностический модуль (рис. 1) содержит четыре основных блока: 1) Ti : сапфир фемтосекундный лазерный тераваттный комплекс (Coherent); 2) модуль транспортировки и преобразования лазерного излучения; 3) блок регистрации и обработки экспериментальных данных; 4) блок обеспечения необходимых газовакуумных условий.
В экспериментах использовалось излучение фемтосекундной тераваттной лазерной системы (рис. 2), которая состояла из задающего генератора 1, стретчера и регенеративного усилителя (РУ) 2, многопроходного усилителя 3, светового компрессора 4. Для накачки задающего генератора (Coherent Mira) использовалось излучение непрерывного твердотельного лазера с диодной накачкой 5 (Coherent Verdi V5). Задающий генератор формировал импульсы фемтосекундной длительности на длине волны X ~ 790 нм с шириной спектра ДХ ~ 40 нм по уровню 0.5 от максимального значения интенсивности. Средняя мощность оптического излучения составляла 650 мВт, а энергия отдельного импульса достигала 7 нДж. В дальнейшем для усиления фемтосекудного лазерного излучения использовался метод усиления чирпи-рованных (с линейной частотной модуляцией) импульсов. В качестве первого каскада усиления применялся регенеративный усилитель (Coherent Legend) с линейной схемой резонатора, увеличивающий энергию импульса до 1.2 мДж. Частота следования импульсов РУ составляла 1 кГц и определялась лазером накачки 6 (Coherent Evolution 15), формирующим лазерные импульсы длительностью т0.5 ~ 500 нс на длине волны X = 532 нм. В качестве оптической развязки между задающим
генератором и регенеративным усилителем использовался затвор Фарадея. Контраст по интенсивности между основным импульсом и предым-пульсами, выходящими из РУ, составлял ~104. Для получения эффективного усиления одиночного импульса в многопроходном усилителе и обеспечения более высокого контраста, необходимого для мощных фемтосекундных лазерных систем, а также уменьшения частоты следования лазерных импульсов до 10 Гц, после регенеративного усилителя использовалась схема улучшения контраста, состоящая из двух скрещенных поляризаторов и ячейки Поккельса, расположенной между ними. Эта схема позволяла на три порядка улучшить контраст по интенсивности между основным импульсом и предымпульсами в наносе-кундном временном диапазоне. Выходной многопроходный усилитель (четыре прохода) увеличивал энергию импульса до 350 мДж при использовании двух лазеров накачки 7 (Positive Light, Continuum) с энергией импульса 750 мДж каждый. Для достижения высокого качества излучения на выходе усилителя использовалась схема переноса пространственного распределения пучка лазера накачки с торца кристалла второй гармоники на торец активного элемента усилителя. Непосредственно перед усилителем расходимость лазерного пучка корректировалась телескопом для компенсации тепловой линзы, возникающей в активном элементе, а также для увеличения диаметра пучка от прохода к проходу. В результате радиус пучка изменялся от 3 мм на первом проходе до 8 мм после четвертого прохода в многопроходном усилителе. Для защиты оптических элементов усилительных каскадов от излучения, отразившегося от мишени после многопроходного усилителя, была установлена схема выделения одиночного импульса, состоящая из двух поляризаторов и электрооптического модулятора. Время открытия затвора составляло 15 нс, что позволяло, с одной стороны, пропустить усиленный импульс в оптический компрессор, а с другой стороны, не пропускать световой импульс, отраженный от мишени или образовавшейся плазмы, так как время, через которое приходит отраженное излучение (при длине оптического плеча ~6 м), достигало 40 нс.
Сжатие импульса когерентного излучения после усиления происходит в вакуумном оптическом компрессоре, собранном по схеме с двумя дифракционными решетками; перед компрессором размер пучка увеличивается до 30 мм, чтобы обеспечить плотность энергии 100 мДж/см2 (ниже порога разрушения дифракционной решетки). На выходе лазерной системы длительность импульса составляет т05 = 35 ± 5 фс с энергией до 250 мДж. Модуль транспортировки и преобразования лазерного излучения обеспечивает распределение излучения между трактами: лазерного воздействия,
10V
Металлическое глухое зеркало
Диэлектрическое зеркало с селективным покрытием
Светоделительная пластинка Оптоволокно
Диафрагма
Интереференционный фильтр Призма Глана
-Е-НЧ
2
Рис. 1. Оптическая схема фемтосекундного экспериментально-диагностического комплекса: 1 — аблирующая мишень, 2 — ТМ фемтосекундный лазер, 3 — интерферометр Майкельсона, 4 — интерферометр Маха—Цендера, 5 — оптическая линия задержки, 6 — вакуумная камера, 7 — кристалл генерации второй гармоники, 8 — микрообъектив, 9 — линзовый объектив, 10 — ПЗС-камера, 11 — кристалл генерации третьей гармоники, 12 — фотоэлектронный умножитель, 13 — полуволновая пластинка, 14 — объектив оптоволокна, 15 — компактный спектрометр с ПЗС-линейкой, 16 — механизированная шторка.
~7
5 Вт, 532 мм
500 нс 532 нм 1 Гц
"Г
- -Ti : сапфир
-pe фс-
-Ti : сапфир
Г
"7"
500 нс, 532 нм, 10 Гц
500 нс, 532 нм, 10 Гц
Ti : сапфи
^r-ÍTi : сапфи^^т
1
pe фс -
2мДж, 45фс,800мм,10Гц
Рис. 2. Блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса: 1 — задающий генератор, 2 — блок стретчера и регенеративного усилителя, 3
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.