Распространение поглощенной лазерной энергии

Поглощение лазерного излучения

Твердотельной мишени однократным импульсом

Лазерная абляция

Поглощение лазерного света в диэлектриках при относительно малой плотности мощности лазерного излучения ~10¹⁰ Вт/см² происходит через возбуждение внешних атомных электронов. Когда энергия возбуждения превышает критическую энергию для материала мишени, происходит его разрушение и абляция. Для проблемы лазерной абляции применительно к импульсному лазерному осаждению (ИЛО), наиболее важны два случая абсорбции лазерной энергии в мишени: поверхностное и объемное поглощение. Поверхностное поглощение происходит, когда глубина распыления d, значительно превышает глубину поглощения La. Объемное поглощение имеет место когда d ~ La. В обоих случаях пар аблированного материала должен быть прозрачен для излучения. Таким образом, для поверхностного поглощения абляционная граница находится в твердой фазе и в фазе пара материала мишени.

При более высокой интенсивности (плотности мощности) излучения, когда ионизация становится существенной, поглощение происходит в плазменном факеле, в основном электронами. В результате для присущей данному материалу мишени способности поглощать лазерное излучение в твердой и паровой фазе механизм поглощения зависит от потока абляционных паров в режиме напыления и поглощения весьма существенно.

Предположим, что лазерный луч с плотностью мощности Iо (Вт/см²) и продолжительностью пульса tp сфокусирован на твердой мишени. Рассмотрим различные режимы лазерного распыления, соответствующего различным комбинациям продолжительности импульсов и плотности лазерной мощности.

Начнем с примера мишени, на которую воздействует однократный лазерный импульс, для случая, когда можно пренебречь потерями из-за расширения факела и переизлучения. Мы предполагаем, что энергия лазерного излучения поглощена в слое намного более тонком, чем глубина проникновения волны высокой температуры. Таким образом, можно рассматривать процесс нагревания как распространение волны высокой температуры в мишень в соответствии с одномерной тепловой моделью:

(1), где

а — коэффициент температуропроводности в [см²/с]; k -коэффициент теплопроводности в [Дж/ (с см К)], Ср - теплоемкость вещества [Дж/(г К)] и r₀— плотность вещества [г/см³]. Предположим, что профиль лазерного импульса во времени имеет прямоугольную форму: I = Ia (0 < t < tр). Здесь tр —продолжительность лазерного импульса, а Ia — плотность мощности поглощенного лазерного излучения. Предполагается, что поток тепловой энергии в поверхности мишени имеет такую же временную форму, как поглощенный лазерный поток. При этих условиях уравнение теплопроводности (1) получает точное решение (2):

(2)

Удобно представить температуру нагретой области мишени, усредненной по месту к концу лазерного импульса, следующим образом:

(3)

Можно получить значение средней температуры как функцию параметров лазерного излучения и параметров мишени в явной форме:

(4)

В формуле (4) представлена средняя температура поверхности мишени в конце лазерного импульса, Т (0, tp). Нужно заметить, что максимальная температура поверхности мишени достигается в конце лазерного импульса, т. е. Tmax = Т (0, t). Поэтому, зависимость поверхностной температуры от времени в течение лазерного импульса (t < tp) может быть записана следующим образом:

(5)

Соотношения между продолжительностью лазерного импульса и поглощенной энергией для оптимального распыления

Предположим, что вся тепловая энергия мишени Е = С_рr₀/Т идет в распыление. Это обеспечивает самую высокую возможную эффективность распыления, при которой тепловая энергия лазерного излучения, поглощенная мишенью, должна быть равна энергии распыленного вещества:

(6)

Здесь W=e_b/М [Дж/г] - теплота испарения, e_b - энергия связи и М - атомная масса материала мишени. Используя уравнения (4) и (5), можно получить соотношения между параметрами лазерного излучения и параметрами мишени для оптимального распыления:

(7)

Уравнение (7) показывает, что величина произведения плотности мощности лазерного излучения и квадратного корня продолжительности лазерного импульса должна быть постоянна для оптимального распыления определенного типа мишени. Можно вывести также из (7), что параметры распыления в оптимальных условиях могут быть записаны следующим образом:

(8)

Так, для оптимального распыления графитовой мишени требуется лазерное излучение со следующими параметрами: k = 0,063 Вт/ (cm К); r0=2 .26 г/см3, Ср=0,7Дж/(гK); a=4x10^-2 cm²/c, и W=3,55xl0⁵Дж/мoл.

Дата добавления: 2014-01-11