ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 317-321
^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 621.384.4
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ ФОТОПОЛИМЕРИЗУЮЩИХСЯ КОМПОЗИЦИЙ В ЖИДКОМ И ОТВЕРЖДЕННОМ СОСТОЯНИЯХ
© 2015 г. Е. Ю. Локтионов, Ю. С. Протасов, Ю. Ю. Протасов, В. Д. Телех
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005 Москва, Россия
E-mail: stcpe@bmstu.ru Поступила в редакцию 23.01.2014 г.
Впервые выполнено исследование эффективности лазерной абляции фотополимеризующихся композиций как рабочих веществ лазерно-плазменных установок различного назначения. Для жидкой и отвержденной фаз показано существенное различие спектрально-энергетических порогов лазерной абляции, удельных массового расхода и механического импульса отдачи, эффективности преобразования энергии лазерного излучения в кинетическую энергию газоплазменного потока. Применение такого класса рабочих сред позволяет не только эффективно решать задачи лазерной абляции мишени, транспортировки, тонкой дозировки, обеспечения высокого ресурса и надежности лазерно-плазменных энерготехнологических установок, но и существенно расширяет диапазон их рабочих характеристик.
DOI: 10.7868/S0030403415020130
ВВЕДЕНИЕ
Применение фотополимеризующихся композиций (ФПК) [1] при лазерной абляции имеет ряд преимуществ для практических применений, связанных с воздействием интенсивного лазерного излучения на вещество. Для генерации газоплазменных потоков лазерное воздействие осуществляется, как правило, на поверхность твердых тел, так как при этом достигается высокая объемная плотность энергии излучения в веществе, а потери в большинстве случаев связаны лишь с рассеянием тепла в объеме. Особенностью воздействия на жидкости является то, что они обладают высоким линейным коэффициентом поглощения лишь на отдельных участках спектра; при их интенсивном испарении происходит образование капель, а также рассеяние части кинетической энергии абляционного потока и ударных волн в объеме жидкости [2]. С другой стороны, для инжекции рабочего вещества в зону лазерного воздействия в энергодвигательных и технологических установках жидкости являются наиболее предпочтительными [3] как с точки зрения транспортировки и тонкой дозировки, так и с точки зрения введения в них различного рода добавок. Их отверждение непосредственно перед лазерным воздействием, таким образом, позволяет сочетать преимущества, соответствующие этим агрегатным состояниям, на различных этапах рабочего процесса. Использование ФПК для лазерной генерации плазмы впервые предложено в [4].
Эффективность лазерной абляции, как известно, может характеризоваться удельным массовым расходом Ат/Е, удельным механическим импульсом отдачи Ст ~ Ат(ч)/Еи другими параметрами [5, 6]. Для устранения недостатков использования жидких рабочих сред, связанных преимущественно с потерями механической энергии на макроскопическое перемещение вещества (расплескивание) [7], рядом авторов предлагалось формировать из них тонкие пленки [8] и отдельные капли [9], пропитывать пористые матрицы-мишени [10], увеличивать вязкость [11, 12]. Однако результаты этих исследований показывают, что при пространственном ограничении зоны испарения и повышении вязкости жидкости увеличение эффективности лазерной абляции возможно лишь в пределах одного—полутора порядков, при этом абсолютные значения рассматриваемых параметров остаются малыми по сравнению с твердотельными средами [5]. Так с уменьшением толщины пленки (как и при увеличении вязкости жидкости) среднемассовая скорость продуктов абляции несколько возрастает, но все равно остается в пределах (V) ~ 30—80 м/с (при лазерной абляции твердых тел этот параметр на полтора—три порядка больше [3, 13]). Хотя удельный механический импульс отдачи при воздействии на жидкости сравнительно велик Ст ~ ~ (0.2—1) х 10-2 Н с/Дж (для твердых тел на два порядка меньше [5, 14]), эффективность преобразования энергии лазерного излучения в кинети-
ных паст в 3D-принтерах, сред для стереофотоли-тографии. Скорость фотополимеризации можно регулировать как изменяя концентрацию и химический состав фотоинициаторов, так и длину волны и интенсивность инициирующего реакцию излучения. В технологиях пьезоструйной УФ пе-
чати достигнуто время отверждения то
30 мс
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — рабочее вещество, 2 — покровное стекло, 3 — датчик силы, 4 — усилитель сигнала, 5 — осциллограф, 6 — на-носекундный лазер, 7 — диодный лазер, 8 — генератор синхроимпульсов.
ческую энергию реактивной струи, определяемая как п ~ Ст(у)/2, мала и ~(1—20) х 10-4 (для твердых тел на два порядка больше [15]).
Исследование эффективности лазерного воздействия на одно и то же по химическому составу вещество в изначально различных агрегатных состояниях известно лишь для воды и льда [16]. Показано, что при воздействии на воду удельный механический импульс отдачи в 6—7 раз больше, чем при воздействии на лед, но из-за низкой сред-немассовой скорости продуктов абляции эффективность преобразования энергии излучения в кинетическую энергию реактивной струи остается примерно одинаковой в обоих случаях (~4—6%).
Для отверждения жидкого рабочего тела непосредственно перед воздействием, очевидно, можно использовать его охлаждение до температуры фазового перехода. Также отверждение может происходить в результате полимеризации, причем фотополимеризация менее инерционна и более управляема по сравнению с термополимеризацией. При использовании специальных фотоинициаторов, просветляющих продукты реакции для воздействующего излучения, возможна УФ-ИК фотополимеризации слоев толщиной ~1 мм [17]. Процессы, аналогичные фотополимеризации, обычно происходящей лишь в приповерхностном слое толщиной ~10-5—10-4 м, могут быть инициированы на глубине до 20 мм при экспонировании соответствующего вещества в электронном пучке [18].
В настоящее время ФПК используются в качестве специальных оптических и стоматологических клеев, чернил для УФ печати, конструкцион-
при воздействии излучения с длиной волны к ~ ~ 365 нм и интенсивностью /отв ~ 10—30 мВт/см2, что много меньше порога лазерной абляции.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В данной работе приводятся результаты исследования эффективности лазерного воздействия на пленки УФ чернил на акриловой основе (SPC-0659Y, Mimaki) в жидком и отвержденном состояниях. ФПК наносилась из дозирующей пипетки (Finnpipette Digital) каплями номинальным объемом ~0.5 мкл на покровное стекло, которое взвешивалось на всех этапах исследования с точностью 10 мкг на аналитических весах (CAS CAUW-120D). Мишени располагались на PVDF-пленочном калиброванном датчике силы (Images SI PZ-02), присоединенном к цифровому осциллографу (Tektronix TDS 2024B). Для отверждения мишень облучалась диодным лазером (Lasever LSR405NL) к ~ 405 нм (оптимальной длиной волны для отверждения данной ФПК является к ~ ~ 365 нм) c интенсивностью /отв ~ 0.8 Вт/см2 в течение тотв ~ 2 с. Воздействие (рис. 1) осуществлялось излучением 1-5-ой гармоник (к1 ~ 1064 нм, к2 ~ 532 нм, к3 ~ 355 нм, к4 ~ 266 нм, к5 ~ 213 нм) наносекундных (т05 ~ 18 и 12 нс) YAG^d-лазеров (соответственно Lotis TII LS-2147 и Solar LQ929). Размер пятна фокусировки излучения (~0.02 мм2) регистрировался при помощи оптического микроскопа. Оптические характеристики ФПК исследовались в УФ-БИК области при помощи спектрофотометра (СФ-2000) в диапазоне 190— 1100 нм, спектры комбинационного рассеяния — с использованием комплекса Raman Systems R-3000 (785 нм, 200 - 2700 см-1).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследованию динамики процессов отверждения ФПК посвящен ряд прикладных работ [19]. Используемые в них диагностические методы основаны на рассеянии света образующимися полимерными цепями или изменении поглощения ИК излучения при изменении химического состава. Выполненное нами исследование спектров комбинационного рассеяния выявило некоторые различия для жидкого и отвержденного состояний: интенсивность релеевского рассеяния для отвержденной ФПК была предсказуемо большей, также для этого состояния отмечены харак-
Т, %
X, нм
I, отн. ед.
Рамановский двиг, см 1
Рис. 2. Спектры пропускания и люминесценции (врезка) (а), комбинационного рассеяния (б) ФПК (1 — жидкое состояние, 2 — отвержденное). Цифры у кривых — длины волн в нанометрах.
терные пики 610, 828 и 913 см-1 (аналогичные характерные линии известны для полиметилмета-крилата (ПММА)). Особенности оптической схемы спектрофотометра СФ-2000 позволили зарегистрировать спектры люминесценции исследованной ФПК, квантовый выход которой на длине волны ~240 нм различен для жидкого и от-вержденного состояний (рис. 2).
Характерные зависимости реактивной силы от времени представлены на рис. 3. В отличие от случая воздействия на воду и лед [16] при лазерной абляции светоотверждаемых материалов высокий удельный механический импульс отдачи при воздействии на жидкость достигается не за счет существенно больших значений реактивной силы, а за счет большей длительности ее действия. При воздействии на жидкость наблюда-
Р, N
Рис. 3. Временная зависимость реактивной силы при лазерном (266 нм) воздействии на ФПК в жидком (1) и отвержденном (2) состояниях.
лось интенсивное образование капель с характерным размером ~0.2 мм, что существенно увеличивает массовый расход рабочего вещества и снижает среднемассовую скорость.
Удельные характеристики эффективности лазерной абляции, усредненные для 10-30 импульсов, приведены на рис. 4, почти все представленные зависимости имеют оптимум. Данные для ~ 1064 нм не приведены, так как из-за низкого спектрального коэффициента поглощения (см. рис. 2) не являются репрезентативными — происходило повреждение стеклянной подложки или абляция нижележащего слоя покрытия датчика силы. При сравнении полученных данных следует иметь в виду, что пороги лазерной абляции жидкой и отвержденной фаз на разных длинах волн существенно различаются, т.е. различны и относительные режимы воздействия Ж/Жа [20] (Жа — порог лазерной абляции). Поскольку воздействие осуществлялось при \n(W/Wc) » 2, будем считать, что раз
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.