ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
37:536.331
О СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ПОЛИМЕРОВ © 2010 г. Е. Ю. Локтионов, А. В. Овчинников, Ю. Ю. Протасов, Д. С. Ситников
Представлено академиком В.Е. Фортовым 08.02.2010 г. Поступило 09.02.2010 г.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 434, № 1, с. 38-41
УДК 536.
Исследование фемтосекундной импульсной лазерной абляции, как и оптических разрядов с аблирующей стенкой, представляет несомненный общефизический и технический интерес как для решения актуальных задач физики неравновесной пространственно-неоднородной плазмы высокой плотности, так и в связи с многочисленными задачами разработки новых методов генерации и ускорения газово-плазменных потоков в плазменно-лазерных ускорителях и инжекторах, лазерных ракетных микродвигателях и плазмен-но-пучковых технологиях высокой плотности мощности [1, 2]. Экспериментальное исследование плазмы фемтосекундных оптических разрядов в сверхсильных лазерных полях связано с существенными методическими трудностями, в том числе и с недостаточной разработкой инструментальных методов диагностики малоразмерных плазменных структур и протекающих в них сверхбыстрых оптогазодинамических процессов, в том числе методов сверхскоростной лазерной микроинтерферометрии и спектрометрии [3].
В данной работе приводятся результаты экспериментального исследования оптогазодинамиче-ских процессов фемтосекундных оптических разрядов в аблирующей полимерной стенкой. Впервые получены количественные данные о пространственно-временном распределении концентрации электронов, удельном механическом импульсе отдачи, спектрально-энергетических порогах лазерной абляции, необходимые для количественной характеризации динамики формирования и развития фемтосекундных оптических разрядов и для определения эффективности преобразования энергии лазерного излучения на его различных стадиях.
Экспериментально -диагностический модуль для исследования динамики и макроструктуры фемтосекундного оптического разряда с аблирую-
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Объединенный институт высоких температур Российской Академии наук, Москва
щей стенкой состоит из блоков (рис. 1): генерации фемтосекундных лазерных импульсов, транспортировки излучения и преобразования его параметров, диагностики параметров излучения. Лазерное излучение тераваттного фемтосекундного (т05 ~ ~ 45—70 фс) комплекса 1 после прохождения оптического блока 2 разделяется на греющее и зондирующее и преобразуется для получения требуемой длины волны ~ 800 нм, Х2 ~ 400 нм, ~ ~ 266 нм); зондирующее излучение используется для лазерной интерференционной микроскопии поверхности 3 конденсированной мишени 5 (схема Майкельсона) и микроинтерферометрии газо-во-плазменного потока 4 (схема Маха—Цендера); греющее излучение фокусируется на поверхности мишени 5 (угол падения ф ~ 45°), установленной на трехкоординатную электромеханическую платформу, в пятно фокусировки размером г0 ~ 20 мкм,
Рис. 1. Блок-схема экспериментально-диагностического модуля (1 — тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс; 2 — блок транспортировки и преобразования излучения; 3 — интерферометр Маха—Цендера; 4 — интерферометр Майкельсона; 5 — мишень; 6 — блок регистрации параметров излучения; 7 — ПЗС-камера; 8 — блок вакуумирования; 9 — спектрометр с волоконным сопряжением; 10 — вакуумная камера).
(а)
\ I
1Ш1
¿■¡tilИ' } ,
гТ, „т.1 ' , | > И I «TniiituLit til ! rflIirlU
ИшШн""
ti Mil t ni
ttUi
i-,
'i
1 7 í i V i II t i { j
i 200 мкм
700 600 500 400 300
300 400 500 600 мкм
[см-3]
0
16.25 16.50 16.75 17.00 17.25 17.50 17.75 18.00
Рис. 2. Интерферограмма (а) и полученное в результате ее обработки распределение концентрации электронов (б) в приповерхностном плазменном образовании через Ат ~ 75 нс после воздействия на (СЩО)и-мишени и эффективности преобразования энергии лазерного излучения X ~ 800 нм, Ж~ 40 Дж/см2 в атмосферных условиях.
обеспечивая следующие максимальные значения плотности мощности лазерного излучения: 10,800 = 9.4 ■ 1014 Вт/см2, /0,400 = 2.5 ■ 1014 Вт/см2, /0 266 = 2.1 ■ 1013 Вт/см2 — на длинах волн ~ ~ 800 нм, Х2 ~ 400 нм, Х3 ~ 266 нм соответственно. Основное отличие развитых в настоящей работе экспериментальных методик и технологий импульсной лазерной микроинтерферометрии заключается в их прецизионности — сочетании высокого временного (т ~ 10-13 с) и пространственного (5 ~ 10-6 м) разрешения и возможности проведения исследований пространственно-временного распределения параметров среды (концентрация электронов, скорости частиц) как на начальной стадии генерации плазменного образования [4], так и на стадии последующего расширения.
Важными параметрами, характеризующими процессы лазерной абляции конденсированных сред, являются спектрально-энергетический порог абляции и эффективный коэффициент поглощения излучения аеГ, определяемые в соответствии с законом Бугера—Ламберта—Бэра как
л = -LinW,
aef Wa
(1)
где к — максимальная глубина абляционного кратера в результате однократного лазерного воздействия, Ж — плотность энергии воздействующего лазерного излучения.
Величина плотности энергии греющего импульса, соответствующая порогу абляции поверхностного слоя, определялась по появлению кратера на поверхности мишени, что соответствует области, в которой плотность энергии лазерного импульса превышает порог абляции. Для определения величины Ж применялась методика измере-
ния спектрально-энергетических порогов лазерной абляции для импульсов излучения с гауссовым пространственным распределением интенсивности по сечению пучка [5]. Для определения порогов абляции по плотности энергии, поглощенной в поверхностном слое вещества, необходимо учитывать величину спектрального коэффициента отражения. Оптические характеристики полимерных мишеней (спектры отражения, поглощения и возбуждения люминесценции) исследованы нами на курчатовском источнике синхротронного излучения "Си-бирь-1" в диапазоне энергий квантов зондирующего излучения ^ ~ 3.5—10 эВ [6].
Распределение концентрации электронов в приповерхностной зоне при облучении полимерных мишеней, характеризующее макроструктуру газо-во-плазменного потока, представлено на рис. 2б. В результате лазерного воздействия на полимерные мишени в вакууме скорость фронта паров достигает V ~ 2 км/с, а в структуре газово-плазмен-ного потока наблюдаются области с концентрацией электронов до пе ~ 1018 см-3. Кроме данных по энергии теплового движения нейтральных частиц, распределение температуры ионов в газово-плазменном потоке может быть получено по результатам анализа пространственно-временной динамики коэффициента поглощения приповерхностного плазменного образования на длине волны зондирующего излучения. Эти значения для полимерных сред составляют к^ ~ 20 см-1, что дает оценку температуры газово-плазменного потока у поверхности (СН20)п-мишени на уровне Т ~ 2 эВ.
Как известно, важным оптомеханическим критериальным параметром, характеризующим эффективность преобразования энергии лазерного излучения в энергию газово-плазменного потока на
40
ЛОКТИОНОВ и др.
Ст • 105, Н • с/Дж
10 -
1 :
П, % 100
-80
60 40 20
Ж (I
Ж VI
а а
Рис. 3. Зависимость удельного механического импульса отдачи (закрашенные символы) на поверхности (C2F4)и-мишени и эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газово-плазменного потока (пустые символы) от спектрально-энергетических переметров воз-
действия (1 — Х ~ 800 нм, 2 — Я-2 ~ 400 нм, 3 ~ 266 нм) в атмосферных условиях.
3
разных стадиях развития оптического разряда, является удельный механический импульс отдачи Ст, определяемый как отношение полного импульса Ат<у> газово-плазменного потока к энергии Е лазерного импульса (или давления р на поверхности аблирующей мишени к плотности мощности /0 лазерного излучения) [7]:
С.
= Е р< о ^ = т
1( ({)
, А т { у> ' Е .
(2)
Проблема повышения чувствительности методов измерения импульса отдачи на поверхности твердотельной мишени в результате лазерного воздействия трудно разрешима при использовании излучения с низкой энергией единичного импульса. 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) [8] полимерных материалов эта величина может быть на порядок выше). Чувствительность широко используемых методов измерения импульса отдачи: баллистических и торсионных маятников, датчиков силы — не превышает А1 ~ ~ 3 • 10-9 Н • с [9, 10]; при облучении полимерной конденсированной мишени фемтосекундными импульсами лазерного излучения, энергия которых, как правило, не превышает Е ~ 10-4 Дж, разрешающая способность измерительной методики должна быть не хуже А1 ~ 10-9 Н • с. Предложен-
ная и примененная нами оптическая схема комбинированной импульсной лазерной микроинтерферометрии, позволяющая регистрировать массовый расход аблирующей мишени с точностью до Ат ~ 10-11 г, а среднемассовую скорость частиц с точностью А^> < 100 м/с, открывает новые возможности для измерения импульса отдачи с точностью (с учетом инструментальных и методических погрешностей) не хуже А1 ~ 10-11 Н • с. Существенной особенностью лазерного интер-ферометрического измерения оптомеханических характеристик абляционных потоков является также высокое пространственное и временное разрешение, в отличие от измерений с использованием различного рода маятников и датчиков силы, дающих интегральный по пространству результат и обладающих низким (на 8—9 порядков больше длительности ультракоротких лазерных импульсов и на 3—5 порядков больше характерных времен газодинамических процессов) временным разрешением Ат > 10-5 с.
На основе экспериментальных данных о средней скорости разлета частиц и об удельном массовом расходе определены значения удельного механического импульса отдачи полимерных мишеней как в атмосферных, так и в вакуумных условиях, в зависимости от плотности энергии достигая максимального значения при соотношении
Ж
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.