Лазерный мир

ДС Поляков, А. Рамос-Веласкес, ВП Вейко, В.А. Домакова, К.М. Арбузова, Д.А. Синев // Институт лазерных технологий Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия // Международный журнал тепло- и массообмена Том 251 ,15 ноября 2025 г.

В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований наносекундной лазерной абляции металлов в ограниченной геометрии.

Для моделирования динамики пара/плазмы внутри малого зазора (первоначально заполненного воздухом) между аблируемой мишенью и прозрачной накладкой решена система уравнений газовой динамики, связанная с уравнением теплопроводности для металлических мишеней. Модель описывает особенности течения пара при различных размерах зазора и позволяет оценить диаметр осаждаемого металлического отпечатка на прозрачной пластине. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами и показывают, что для длинных наносекундных лазерных импульсов при размерах зазоров порядка десятков микрометров диаметр осадка может превышать диаметр пучка в 4 — 8 раз (∼ 200 — 400 мкм для диаметра пучка ∼ 45 мкм), тогда как для зазоров порядка сотен микрометров осаждения не происходит. На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлена ​​общая физическая картина течения пара в малом зазоре при абляции длинными наносекундными лазерными импульсами для различных размеров зазора (от нескольких микрометров до сотен микрометров) и впервые, насколько нам известно, классифицированы режимы динамики пара и плазмы внутри зазора. Полученные результаты имеют важное значение для всех технологий, основанных на лазерной абляции в ограниченных геометриях, включая методы лазерно-индуцированного переноса пленок.

Введение

Наносекундная лазерная абляция представляет собой сложный физический процесс, включающий несколько стадий, которые являются предметом интенсивных исследований в течение последних нескольких десятилетий [[1], [2], [3], [4], [5]]. В простейшем и наиболее изученном случае свободной абляции металлов в окружающей газовой атмосфере основными стадиями являются: поглощение лазерного излучения и нагрев мишени до точки испарения [6], перенос испаряющихся атомов через слой Кнудсена [7,8], фазовый взрыв в случае абляции при высоких плотностях лазерного потока [9,10], выброс капель расплава [11,12], расширение пароплазменного факела [13,14], оптические процессы в плазме (поглощение/излучение) [15,16], химические процессы внутри факела [[17], [18], [19]], образование наночастиц и кластеров [[20], [21], [22]], обратное осаждение продуктов абляции [18,23].

Наносекундная лазерная абляция в окружающей газовой атмосфере может быть исследована не только в режиме свободного расширения (рис. 1а), но и в некоторых частных случаях, одним из наиболее важных из которых является так называемая абляция в ограниченном режиме расширения пароплазменного факела (или абляция в ограниченной геометрии). Ключевой особенностью является то, что аблирующая мишень накрывается прозрачной твердотельной пластиной, расположенной на некотором малом расстоянии друг от друга, образуя воздушный зазор между мишенью и накрывающей пластиной [24]. Эта пластина ограничивает расширение факела в вертикальном направлении и влияет на его параметры (плотность, температуру, давление) на всех стадиях абляции (рис. 1б).

Описание эксперимента

Для подтверждения результатов моделирования были проведены эксперименты по лазерной лазерной ионизации металлических пленок на стеклянных подложках. Схема экспериментальной установки представлена ​​на рис. 8. Использовалась установка на основе наносекундного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1,06 мкм (МиниМаркер2, ООО «Лазерный центр», Россия). Длительность импульса в эксперименте составляла 200 нс, фокусировка луча в пятно радиусом 22,5 мкм (по уровню е -2 ).

Выводы

В данной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование эволюции пароплазменного факела внутри малого зазора между мишенью и прозрачной накладкой при наносекундной лазерной абляции металлов. На основании результатов моделирования, подкрепленных экспериментальными данными, можно сделать следующие основные выводы, раскрывающие физическую картину процесса.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 24–79–10230 https://rscf.ru/en/project/24-79-10230/

Полное содержание на https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931025007185