ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 140-144
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 681.7+53.083
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ОТДАЧИ ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД В ВАКУУМЕ © 2010 г. Е. Ю. Локтионов, А. В. Овчинников*, Ю. Ю. Протасов, Д. С. Ситников*
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5 E-mail: stcpe@bmstu.ru *Объединенный институт высоких температур РАН Россия, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/2 Поступила в редакцию 13.01.2010 г.
Разработана методика измерения импульса отдачи с точностью AI < 10-11 Н • с при фемтосекунд-ной лазерной абляции конденсированных сред. Методика основана на комбинированной микроинтерферометрии поверхности аблирующей мишени и приповерхностных светоэрозионных газово-плазменных потоков. Приведены результаты экспериментального определения удельного механического импульса отдачи и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на конденсированные среды как в атмосферных, так и в вакуумных условиях.
ВВЕДЕНИЕ
При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на конденсированные среды происходит существенное уменьшение глубины поглощения излучения [1] (по сравнению с более длинными импульсами лазерного излучения), что позволяет эффективно воздействовать на "прозрачные" при обычных условиях на данной длине волны конденсированные материалы и удалять при лазерной абляции более тонкие слои вещества. Тонкое дозирование массового расхода до Ат ~ 10-11— 10-12 г при фемтосекундном лазерном воздействии позволяет при средних скоростях разлета эрозионных паров на уровне V ~ 102—103 м/с сообщать аблирующей мишени импульс отдачи порядка I ~ 1011—1012 Н • с. Получение столь малой величины минимального регулируемого значения импульса, сообщаемого в результате однократного лазерного воздействия, при решении ряда прикладных задач является необходимым условием, которое, к сожалению, не может быть достигнуто при использовании наносекундных и более длинных импульсов лазерного излучения [2].
Проблема повышения чувствительности методов измерения импульса отдачи на поверхности твердотельной мишени в результате лазерного воздействия особенно трудно разрешима при использовании импульсов излучения с низкой энергией. Чувствительность баллистических маятников и тензометрических датчиков для измерения импульса отдачи составляет порядка А1 ~ ~ 10-6—10-5 Н • с [3] (при использовании методов
интерферометрии для анализа колебаний баллистического маятника разрешение может быть повышено до AI ~ 3 • 10-9 Н • с [4]), торсионных маятников (крутильных весов) ~10-9—10-8 Н • с [5]. При облучении полимерной конденсированной мишени фемтосекундными импульсами лазерного излучения, энергия которых, как правило, не превосходит E ~ 10-4 Дж, максимальное значение импульса отдачи не превышает I ~ 10-8 Н • с, а разрешающая способность измерительной методики, таким образом, должна быть не хуже AI ~ 10-9 Н • с.
Если для регистрации с высокой точностью (Av ~ 10—102 м/с) скорости разлета частиц существует ряд широко применяемых инструментальных методик (времяпролетные зонды [6], фоторегистрация (particle imaging velocimetry — PIV) и др. [7]), то используемые большинством исследователей для определения массового расхода методы, такие как профилометрия и сканирующая электронная микроскопия поверхности, прямое взвешивание мишени или регистрация массы конденсата светоэрозионных паров [8], не позволяют, кроме последнего, проводить измерения in situ, а их точность не превосходит Am ~ 10-6 г [8].
Существенной особенностью измерений импульса отдачи с использованием баллистических и торсионных маятников или пьезоэлектрических датчиков силы является, во-первых, то, что они дают интегральный по пространству результат и обладают низким (на 8—9 порядков больше длительности ультракоротких лазерных импульсов и на 3—5 порядков больше характерных вре-
мен газодинамических процессов) временным разрешением Дт > 10-5 с. Во-вторых, при измерении импульсов отдачи I < 10-8 Н • с, как правило, регистрируется сигнал, суммированный по результатам нескольких последовательных лазерных воздействий (п ~ 102—103 и более [9]), т.е. измеряется среднее значение импульса отдачи, а разброс значений единичных импульсов остается неопределенным. И в-третьих, полный импульс, сообщаемый мишени, определяется несколькими процессами: разлетом ионизованных паров мишени, формированием и распространением ударной волны в буферном газе [6], медленным разлетом продуктов фазового взрыва в объеме твердотельной мишени [7], и для анализа оптоме-ханической эффективности лазерной абляции необходимо знать динамику вклада в полный импульс отдачи каждой из этих составляющих.
Важным параметром, характеризующим эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию светоэрози-онного потока, является удельный механический импульс отдачи Ст, определяемый как отношение полного импульса газово-плазменного потока (интеграл реактивной силы Е по времени, в первом приближении импульс отдачи может быть определен как произведение массового расхода Дт на среднемассовую скорость частиц (у)) к энергии лазерного импульса Е или давления на поверхности мишени к плотности мощности лазерного излучения [10]:
определяемые в соответствии с законом Бугера— Ламберта—Бэра:
С„ =
i |>(t)dt = £<й Е> Io(t)
Am( v)
E '
(1)
h=-Un I w i,
aeff Wa
(2)
По существу этот критерий связывает эффективность выноса массы с поверхности аблирую-щей мишени с эффективностью использования энергии лазерного излучения для генерации газо-во-плазменного потока, причем, в отличие от энергетического к.п.д. лазерной абляции п = = Дт(у)2/Е и удельного импульса 1р = (v)/g, не зависящего в конечном итоге от величины массового расхода, процессы на поверхности мишени и в приповерхностном плазменном образовании вносят равный вклад в значение параметра Ст. Для большинства материалов удельный механический импульс отдачи при оптимальных параметрах и режимах лазерного воздействия не превышает значения Ст ~ 5 • 10-4 Н • с/Дж (для специальных энергетических (экзотермических) полимерных материалов эта величина может быть на порядок выше [11]).
Также важными параметрами для характериза-ции и скейлинга процессов лазерной абляции конденсированных сред являются спектрально-энергетический порог абляции и эффективный коэффициент поглощения излучения а.ф
где к — максимальная глубина абляционного кратера в результате однократного лазерного воздействия, Ж — плотность энергии воздействующего лазерного излучения.
Целью настоящей работы является разработка методики определения удельного механического импульса отдачи при фемтосекундной лазерной абляции как в атмосферных, так и в вакуумных условиях. Для ее осуществления в экспериментально-диагностическом модуле на основе тера-ваттного фемтосекундного лазерного комплекса применена методика комбинированной микроинтерферометрии поверхности аблирующей мишени (схема Майкельсона) и светоэрозионных газово-плазменных потоков (схема Маха—Цендера).
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальная установка на основе тера-ваттного фемтосекундного Ti:Al2O3 лазерного комплекса (Coherent) позволяет при фокусировке лазерного излучения на поверхности мишени в пятно радиусом r0 ~ 20 мкм при длительности импульса т05 ~ 45—70 фс создавать плотности мощности: /0> 800 = 9.4 • 1014 Вт/см2, I0,400 = 2.5 • 1014 Вт/см2, I0,266 = 2.1 • 1013 Вт/см2 — на длинах волн ~800, ~400 и ~266 нм. Часть излучения отводится в диагностические тракты микроинтерферометрии поверхности мишени и светоэрозионных потоков, диапазон задержек зондирующего излучения относительно греющего регулируется в диапазоне т ~ 0—75 нс шагом Дт ~ 100 фс. Оптические схемы интерферометров собраны внутри цилиндрической вакуумной камеры (диаметр 400 мм, высота 300 мм), откачиваемой безмасляным вакуумным агрегатом до давления p ~ 10-2 Па (при проведении экспериментов в атмосферных условиях в нее напускался воздух).
Для осуществления интерференционной микроскопии необходимо, чтобы исследуемая поверхность твердотельной мишени была максимально гладкой и обладала высоким коэффициентом зеркального отражения на длине волны зондирующего излучения. Массовый расход вещества мишени определялся по данным интерференционной микроскопии облучаемой поверхности (рис. 1), а сред-немассовые скорости частиц — по данным микроинтерферометрии газово-плазменного потока с учетом распределения концентрации электронов в нем. Более подробно экспериментально-диагностический модуль описан в [12].
142
ЛОКТИОНОВ и др.
(a)
ние концентрации электронов (рис. 2), исходя из модели Друде:
(б)
-fW
к
200
140 %
125
8п2с 2s 0men0
Л 2 2
A e
An
2.23 • 1015 АП,
A2
(3)
где пе — концентрация электронов, с — скорость света в вакууме, е0 — электрическая постоянная, те — масса электрона, п0 — показатель преломления буферного газа, X — длина волны зондирующего излучения, е — заряд электрона, Ап — изменение показателя преломления в среде (все размерности в СИ).
Для измерения импульса отдачи необходимо знать распределение частиц по массам и скоростям. В некотором приближении допустимо определять полный импульс газово-плазменного потока как произведение суммарной массы частиц, вовлеченных в поток, на их среднемассовую скорость. Последняя может быть определена в некотором приближении по данным интерферометрии как:
(4)
(v) = Z nev/Z'
200
Рте. 1. Интерферограмма поверхности (C2F4)n-ми-шени после лазерного воздействия (а), X ~ 266 нм, Ж ~ 0.5 Дж/см2, и восстановленная по ней форма кратера (б).
Обработка микроинтерферограмм газово-плаз-менных потоков осуществляется в несколько этапов:
— с использованием программы Phase Measurement (ВНИИОФИ) получают количественные данные о сдвиге фазы волнового фронта и коэффициенте пропускания приповерхностного плазменного образования;
— по сдвигу фазы в рамках приближения геометрической оптики и при у
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.