Qattiq jismlarning impulsli lazerli ablasyonu: normal bug'lanishdan o'tish bosqichma-bosqich portlash Abstrakt

2.2 Plazmaning yutilishi
Ablasyon tezligining fl uence bilan to'yinganligi natijasidir PLA plazma shlyuzi tomonidan nishon yuzasini skrining qilish. Plazma skriningning sirt harorati ta'sirida ahamiyati ior 3-rasmda tasvirlangan. Hisoblangan vaqtga bog'liqliklar grafasi uchun sirt haroratining 3a-rasmida keltirilgan. aqsad turli lazer nurlari bilan nurlangan. Shakl 3b plazma yutilishining vaqtinchalik ta'sirini tasvirlaydi nishonga o'tadigan lazer nurlanishining miqdori PLA shlyuzi orqali yuz. Kam lazer ta'sirida (egri chiziq) 1,75 J / sm2 uchun, 3a-rasm) sirt harorati davom etadi lazer nurlanishining maksimal darajasiga etganidan keyin ko'tariladi. Buning ma'nosi bug'lanishning maksimal darajasi kechiktirilganiga nisbatan lazer zarbasi. Lazer kuchi o'zaro bog'liq ravishda oshganda massani olib tashlashning ko'payishi, Ts eng yuqori darajaga ko'tarilgan hodisa lazer pulsiga nisbatan maksimal marta plazmadagi yutilish natijasi (18 J / sm2 ga egri chiziqlarga qarang Shakl 3a, b). Olingan eksperimental va hisoblangan natijalar niobiyning ommaviy ravishda olib tashlanishiga qaramay plazma plumeni shimgichga nisbatan bir oz ko'proq yutadi
uglerod plumasi (3b-rasm). Lazer nurlanishining kuchli singishi niobiy plazmasidagi shlyuzda, ehtimol, natijasi tufayli plum zarralarining yuqori ionlanish darajasi nisbatan past ionlanish potentsiali. Shuning uchun, farq yuqorida ko'rsatilgan sirt-harorat xatti-harakatlarida (2-rasm) plazma plumining emishi bilan bog'liq emas va bo'lishi kerak taxmin qilinishicha va- ning issiqlik xususiyatlari
gözenekli qattiq moddalar.
2.3 Er osti isitish
Er osti isitmasi aniq ostida sodir bo'lishi isbotlangan qattiq nishonlarni lazer impulslari bilan nurlantirish paytida sharoit mikrosaniyadagi davomiyligi [21-23]. Nanosaniyadagi impulslar uchun bu effekt metall uchun unchalik katta ahamiyatga ega emasligi aniqlandi maqsadlar [1, 11]. Bizning hisob-kitoblarimiz muhim er osti qatlamini aniqlaydi

Rasm 3. a uchun sirt haroratining hisoblangan vaqt bog'liqliklari ma'lum bir lazer nurlanishidagi grafit nishoni. b Hisoblangan vaqtinchalik pro A PLA orqali nishon yuzasiga kirib boradigan lazer nurlanishlari grafit (kesikli egri chiziqlar) va Nb paytida ma'lum lazer ta'sirida plazma (nuqta bilan kesilgan egri chiziq) ablasyon. Hodisa sodir bo'lgan lazer puls 20,5 nsdagi kulyatsiyalar, qattiq egri chiziq bilan ko'rsatilgan. Ballar 10 J / sm2 grafit uchun eksperimental ma'lumotlar
metall bo'lmagan maqsadlar uchun isitish. 4-rasmda fazoviy be- ko'rsatilgan o'rganilgan uchta hisoblangan maqsadli haroratning havori materiallar (asosiy qismga normalgacha taqsimlash maqsadli sirt). Ikkala past lazer nurlari uchun taqsimotlar (4a-rasm) va yuqori ko'rsatkichlar (o'tishga mos keladi) fazali portlashga, 4b-rasm) vaqt momentlari uchun berilgan sirt harorati Ts maksimal qiymatiga yetganda. Ushbu momentlar turli xil materiallar va xususiyatlar uchun farq qiladi (qarang) Shakl 3a). Shakl 4a, b-da yana Nb nishonga aylanishi aniq o'ziga xos tarzda o'zini tutadi. Bunda er osti isitishning qiymatlari holat, DT = Tmax - Ts (Tmax maksimal harorat fazoviy taqsimotda) bilan taqqoslaganda juda oz s qiymatlari (5 J / sm2 da ∼ 2 K va 15 J / sm2 da ∼ 22 K). Uchun grafit va YBCO, er osti isishi ham sezilarli past haroratda va minglab kelvinga yetganda eski qatlamlar (maksimal er osti harorati 22 400 va Navbati bilan 11 600 K). Maksimal er osti chuqurligi isitish taxminan 50 nm ni tashkil qiladi, ya'ni grafika uchun ∼ 230 ta bir qatlamli ite. Oldin deyarli er osti isitish (∆T ∼ 2 K) bo'lmagan alyuminiy uchun 4 J / sm2 da olingan [1]. Muhim ahamiyatga ega er osti isitishning odatiy hodisa ekanligini yoki yo'qligini tushunib oling. PLA-ning holati va uning qiymati, ayniqsa, nuqtai nazardan bog'liq

Rasm 4a, b. Belgilangan maqsadlar bo'yicha hisoblangan harorat ko'rsatkichlari sirt harorati maksimal qiymatiga etgan vaqt momentlari. a past lazer nurlari uchun olingan taqsimotlar (2,5, 0,5 va 5 J / sm2 uchun grafit, navbati bilan YBCO va Nb). b uchun olingan taqsimotlar normal normal bug'lanishdan fazaga o'tishga teng chegaralar plosion (grafit uchun 22, 17,5 va 15 J / sm2, YBCO va Nb)

того факта, что модель подповерхностного нагрева подверглась критике. классифицируется на основании его «вероятного отсутствия» или незначительного значение [1–3, 11].

Во время лазерного импульса пространственное распределение температуры
в объеме образуется в результате суперпозиции (i) нагрев за счет поглощения энергии лазера, (ii) охлаждение поверхность цели из-за испарения и (iii) охлаждения из-за термического малая проводимость. Рассмотрим подробнее влияние этих коэффициенты для разных материалов. (i) Поглощение лазерной энергии - это объемный процесс, управляемый регулируется законом Бера – Ламберта (последний член в (1)). Меньший коэффициент поглощения αb, на большую глубину лазер проникает эргия проникает в цель. Среди изученных материалов нио- бий имеет наибольшее значение αb (табл. 1), то есть энергия лазера поглощается более тонким слоем у поверхности мишени, в результате в более высоких температурах по сравнению с графитом и YBCO. (ii) Важная особенность моделей, основанных на кон- За исключением нормального испарения, является охлаждение поверхности из-за теплота парообразования учитывается через границу Условие (4), которое определяет градиент температуры при поверхность (∂T / ∂z) | z = 0 от скорости разбегания [1, 17].
Последняя определяется температурой поверхности через уравнение Клаузиуса – Клапейрона (2). Можно сделать вывод что чем выше скорость спада, тем больше вероятность подпочвенное отопление. Возвращаясь к рис. 1, мы видим, что ниобий имеет наименьшее удаление массы, что является результатом наименьшая скорость спада. Таким образом, поверхность ниобия имеет вид охлаждается за счет тепла испарения в меньшей степени, чем по сравнению с графитом и YBCO. (iii) Скорость выравнивания температуры по длине диска. зависимость от времени контролируется температуропроводностью χ = λ / (cp), как ясно следует из простейшего вида
уравнение диффузии тепла в предположении, что параметры материала:

Для достаточно высоких температур, когда параметры, принятые в настоящие расчеты постоянны (таблица 1), значения χ для графита YBCO и Nb составляют 0,053, 0,011 и 0,17 см2. / с, соответственно. Таким образом, подповерхностный нагрев Nb-мишени, если он происходит, fl затвердевает быстрее по сравнению с графитом и YBCO. Обратите внимание, что в ниобиевой мишени тепло проводится на объемную глубину быстрее (рис. 4).
Перечисленные факторы (i) - (iii) приводят, таким образом, к общему тенденция для Nb-мишени иметь наименьшие шансы на суб- поверхностный нагрев среди исследованных материалов. Обратите внимание, что алюминий-
minum, по-видимому, имеет еще меньшую вероятность продемонстрировать эффект подповерхностного нагрева при PLA, так как его температура проводимость (0,89 и 0,40 см2 / с для твердого и жидкого состояний, соответственно [16]) значительно выше, чем у Nb. На основе ничтожно малого значения расчетной температуры разность Tmax - Ts найдена для Al мишени, заявлено что подповерхностный нагрев оказывает очень незначительное влияние при нормальном условия испарения [11, 16]. Мы утверждаем, что это утверждение, быть правильным для металлов, неверно для таких материалов, как графит и YBCO.
Анисимов и др. [24] ввели параметр β = αbχ / u для характеризуют режим абляции для миллисекундных лазерных импульсов когда реализуется квазистационарное испарение. Этот параметр eter объединяет факторы, перечисленные в пунктах (i) - (iii) и ac- рассчитывает отношение целевой скорости нагрева к спаду скорость. Если β> 1, подход, основанный на концепции нормирования нормальное испарение действительно и эффект подповерхностного нагрева можно оценить как ∆T ≈ L / (cpβ) [21–23]. Если β <1, то ∆T ≈ L / cp ∼ Tc и фазовый взрыв метастабильного материала тер встречается [21, 22]. Мы использовали такой подход для оценки подповерхностный подогрев для исследованных режимов. Для оценки- ции среднее значение расчетной скорости спада ∆z / τ (с ∆z, взятым на пороговом значении). В результаты приведены в таблице 2. Оценка и наличие Возможные данные для Al также включены. На удивление хорошо совпадение расчетных и расчетных значений ∆T. Таким образом, этот простой метод может дать разумную оценку: Эффект подповерхностного нагрева во время ПЛА: Однако β-критерий перехода к фазовому взрыву очевидно не работает для лазерных импульсов ns, поскольку значения β при переходе условия для изучаемых материалов и для Nb и Al они намного превышают единицу. Это указывает на то, что поведение конденсированного состояния в окрестности перехода Режим абляции различается для импульсов мс и нс. В лат-В этом случае скорость нагрева выше и вещество можно поэтому нагревается ближе к Tc.

Отметим, что модель, использованная в данной работе, достаточно простые и, следовательно, довольно высокие значения подповерхностного нагрева полученные в расчетах, возможно, не совсем реальны. тик. Здесь мы хотим подчеркнуть, что подземные - эффектом нагрева нельзя пренебречь для ряда материалов при определенных условиях PLA с нормальным испарением облучаемой мишени, как было продемонстрировано решением уравнение диффузии тепла с нефиксированной температурой поверхности тур. В частности, для графита значительная подповерхностная теплоотдача. Получено даже при малых плотностях (например, ∼ 400 K при 2,5 Дж / см2, см. рис. 4а). Приведенный выше термодинамический анализ показывает, что эффект подповерхностного нагрева зависит от ком- петиция между нагревом объема за счет проникновения лазера энергия в мишень, охлаждение поверхности за счет испарения и теплопроводность в объем мишени. Простые оценки баланс этих процессов свидетельствует о существовании суб- поверхностное отопление для неметаллических целей. В заключение отметим, что очевидно, что наша модель теряет свою применимость на определенных суб- пороговые значения, когда расчетная температура в приповерхностная область приближается к Tc.