Введение
Глава 1 Устойчивость поверхности при лазерном плавлении. применения к планаризации металлов, сглаживанию сверхтвердых керамик и чистой обработке полимеров
1.1 Введение... 51
1.2 Обзор литературы и постановка задачи исследования... 52
1.3 Эволюция глубины расплава для поверхностного источника нагрева в течение лазерного импульса 60
1.3.1 Температурное поле внутри расплава 62
1.3.2 Вычисление глубины расплава 69
1.4 Изменение глубины расплава для поверхностного источника нагрева после лазерного импульса 75
1.5 Глубина расплава для объемного источника нагрева 80
1.6 Обсуждение и сравнение с экспериментами 86 1.7 Взрывной механизм удаления материала без испарения из-за релаксации
термически-индуцированного внутреннего напряжения 96
1.8 Общий подход к проблеме поиска условий устойчивости поверхности при лазерном плавлении без испарения 102
1.9 Облучение металлов, полупроводников и керамик (материалы с высокой температуропроводностью и высоким коэффициентом поглощения) 111
1.9.1 Расплав бесконечной глубины 111
1.9.2 Учет конечной глубины и конечного времени жизни расплава... 115
1.9.2.1 Оценка времени жизни расплава 116
1.9.2.2 Оценка величины «замороженных» периодов... 118
1.9.3 Подавление термокапиллярной неустойчивости при облучении короткими импульсами 122
1.10 Сравнение модели с экспериментами по лазерному плавлению и планари зации металлов 123
1.11 Сравнение с экспериментами по лазерному сглаживанию керамик нитрида алюминия и карбида кремния... 125
1.12 Облучение полимеров и керамик (материалы с низкой температуропроводностью и низким коэффициентом поглощения) 133
1.12.1 Эффект конечной глубины и конечного времени жизни расплава 137
1.12.2 Диаграмма (не)устойчивости 139
1.12.3 Оценки и сравнение с экспериментами 142
1.13 Сравнение модели с экспериментами по лазерному сглаживанию керамик из оксида алюминия и оксида циркония 147
1.14 Выводы к Главе 1... 152
Литература к Г лаве 1 155
Глава 2 «Чистая» лазерная абляция: условия подавления боковых течений расплава и получения чистой границы облучаемого пятна при совместном учете плавления и испарения
2.1 Введение 163
2.2 Постановка задачи исследования 164
2.3 Типы выталкивания расплава 168
2.4 Глубина расплава в присутствие интенсивного испарения при объемном нагреве 177
2.4.1 Изменение глубины расплава в зависимости от поглощенной интенсивности в мелком пятне 177
2.4.2 Изменение глубины расплава по поверхности отверстия 182
2.5 Глубина расплава в присутствие интенсивного испарения при поверхностном нагреве 185
2.5.1 Изменение глубины расплава в зависимости от поглощенной интенсивности в мелком пятне 197
2.5.2 Изменение глубины расплава по поверхности отверстия 187
2.6 Давление факела абляции на облучаемую поверхность 188
2.6.1 Полимеры 191
2.6.2 Керамики и металлы 196
2.7 Движение расплава вдоль поверхности 197
2.7.1 Стационарное решение для движения расплава 200
2.7.2 Нестационарное решение для движения расплава 205
2.8 Измерение вязкости слоя расплава на поверхности полимера в условиях импульсной лазерной абляции 207
2.8.1 Эксперимент 208
2.8.2 Модель вязкого течения слоя расплава 210
2.8.3 Обсуждение 212
2.9 Образование нановолокон миллиметровой длины при одноимпульсной KrF-лазерной абляции полиметилметакрилата 213
2.9.1 Эксперимент 215
2.9.2 Результаты и обсуждение 217
2.9.3 Возможные механизмы 220
2.9.4 Сравнение с абляцией металлов 229
2.9.5 Выводы 232
2.10 Обсуждение результатов 233
2.11 Выводы к Главе 2 238
Литература к Г лаве 2 240
Глава 3 Устойчивость рельефа при модификации поверхности в твердой фазе
3.1 Введение 246
3.2 Самоостанавливающаяся полирующая лазерная абляция шероховатых поверхностей при испарении «короткими» импульсами излучения 247
3.2.1 Эксперименты по лазерному сглаживанию и полировке тонких шероховатых алмазных пленок 250
3.2.2 Модель испарения шероховатой поверхности «короткими» лазерными импульсами. Самоорганизация шероховатой поверхности при скользящем падении пучка 254
3.3 Устойчивость рельефа при модификации поверхности в твердой фазе «длинными» импульсами излучения 269
3.3.1 Кинетика массопереноса и выделения тепла на плоской поверхности
при ее лазерной модификации 270
3.3.2 Лазерное испарение шероховатой поверхности. Возможность реализации лазерной полировки... 272
3.3.3 Лазерное пиролитическое травление шероховатой поверхности. Возможность реализации лазерной полировки... 279
3.3.4 Лазерное пиролитическое осаждение. Рост шероховатости поверхности... 281
3.4 Выводы к Главе 3 283
Литература к Главе 3 285
Глава 4 Самоорганизация поверхности при многоимпульсном уф лазерном сверлении глубоких отверстий в полимерах
4.1 Введение... 288
4.2 Обзор литературы и постановка задачи 289
4.3 Экспериментальные исследования лазерного сверления полимеров... 293
4.3.1 Схема фокусировки излучения 293
4.3.2 Исследуемые полимеры 295
4.3.3 Просверленные лазером отверстия со сверхвысокими аспектными отношениями 296
4.3.4. Экспериментальная зависимость скорости сверления от числа импульсов 298
4.3.5 Экспериментальные зависимости глубины конечных скважин от
плотности лазерной энергии 301
4.3.6 Пропускание пучка сквозной скважиной в зависимости от глубины 301
4.3.7 Зона воздействия лазерного излучения в материале вокруг скважины 302
4.4 Модель сверления глубоких отверстий при учете угловой расходимости лазерного пучка 303
4.4.1 Пороговая плотность энергии пучка для получения параллельных боковых стенок на входе в отверстие 312
4.4.2 Распределение плотности энергии пучка, обеспечивающее строго цилиндрические боковые стенки 313
4.4.3 Форма скважины для прямоугольного распределения плотности энергии 314
4.4.4 Сверление глубоких сквозных отверстий с малой вариацией диаметра вдоль длины для пучков с прямоугольным распределением плотности
энергии 317
4.4.5 Профиль отверстия для гауссова пучка 318
4.4.6 Расчет пропускания лазерного пучка сквозными отверстиями в зависимости от глубины. Сравнение с экспериментом 322
4.5 Обсуждение 324
4.6 Выводы к Главе 4 327
Литература к Главе 4 329
Глава 5 Взаимодействие интенсивного лазерного пучка с шероховатыми металлическими поверхностями в условиях возбуждения поверхностных электромагнитных волн
5.1 Введение 332
5.2 Обзор литературы 333
5.3 Измерение температурной зависимости поглощательной способности алюминиевых мишеней на длине волны 10,6 мкм 336
5.3.1 Экспериментальная установка 337
5.3.2 Теория 338
5.3.3 Результаты и обсуждение 338
5.4 Измерение угловой зависимости поглощательной способности рифленой поверхности 345
5.5 Измерение поглощения лазерной энергии на рифленой металлической поверхности вне облучаемого пятна при помощи матричного калориметрического метода 347
5.5.1 Схема эксперимента 348
5.5.2 Описание метода измерений 350
5.5.3 Результаты эксперимента 354
5.6 Измерение изменений поглощательной способность поверхности в условиях лазерного самовоздействия 356
5.7 Модель возбуждения ПЭВ лазерным пучком на поверхности металла с периодической структурой 358
5.8 Поглощение ПЭВ металлической поверхностью. Решетка покрывает всю
поверхность мишени 364
5.8.1 Большое пятно облучения (хо» 1 /а) 368
5.8.1.1 Теория 368
5.8.1.2 Сравнение с неаналитическими результатами расчетов численными методами на ЭВМ (х0» Ма) 371
5.8.1.3 Сравнение с экспериментом в 5.4 по измерению поглощательной способности глубокой рифленой поверхности 373
5.8.2 Малое пятно облучения (хо \1а) 375
5.9 Поглощение ПЭВ металлической поверхностью. Решетка покрывает лишь пятно облучения, вне пятна поверхность плоская 376
5.9.1 Большое пятно облучения (х0» 1/ог) 377
5.9.2 Малое пятно облучения (х0 1/а) 377
5.10 Угловая зависимость эффективности возбуждения ПЭВ и поглощательной способности 380
а) для большого пятна 381
б) для малого пятна 382
5.11 Температурная зависимость поглощательной способности рифленой поверхности 382
5.11.1 Сдвиг резонанса А(0) при нагреве (при неизменном угле падения излучения на мишень) 383
5.11.2 Изменение величины резонанса при нагреве 384
5.11.3 Сравнение с экспериментами по измерению температурной зависи мости поглощательной способности алюминиевых мишеней на длине волны 10,6 мкм 388
5.12 Поглощательная способность поверхности, обусловленная лазерно индуцированными резонансными периодическими структурами 388
5.12.1 Сравнение с экспериментами по измерению изменений эффективной поглощательной способности поверхности в условиях лазерного самовоз действия 391
5.13 Эффект усиления поля на поверхности и его возможное влияние на пороги плазмообразования 392
5.14 Локальные значения поглощательной способности. Влияние ПС на пороги
оптического пробоя у поверхности 395
5.15 Проявление размерного эффекта в кинетике формирования резонансных лазерно-индуцированных ПС 403
5.16 Влияние нерезонансной шероховатости поверхности на условия максимального поглощения и его величину 408
5.17 Выводы к Главе 5 413
Литература к Главе 5 415
Заключение основные результаты диссертации 421
Благодарности 424
