Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Прокошев Валерий Григорьевич
МИКРО- НАНОСТРУКТУРЫ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ, ИНДУЦИРОВАННЫЕ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, И ИХ ДИАГНОСТИКА МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ И ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
Специальность: 01.04.21 Ч лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание научной степени доктора физико-математических наук
Новосибирск - 2008
Работа выполнена на кафедре физики и прикладной математики Владимирского государственного университета.
Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор С.М.Аракелян Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор В.М. Гордиенко доктор физико-математических наук, профессор Ю.П.Мешалкин доктор физико-математических наук, И.И. Рябцев Ведущая организация Институт проблем лазерноинформационных технологий РАН, г. Шатура
Защита диссертации состоится "___" ________ 2008 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д 003.024.01 в Институте лазерной физики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 13/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.
Автореферат разослан "___"_____________ 2008 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета к.ф.-м.н. Н.Г. Никулин
Общая характеристика работы
Актуальность темы Для лазерной физики и современных лазерных и лазерноинформационных технологий значительный интерес представляет исследование высокотемпературных процессов в области лазерного воздействия на поверхность различных материалов, приводящих к возбуждению пространственно-временных неустойчивостей и образованию микро- и наноструктур на поверхности твердого тела. Развитие таких процессов во времени определяется фундаментальными физическими явлениями, диагностика которых в реальном масштабе времени позволяет расширять область их практических приложений.
Несмотря на длительную историю проводимых исследований по данному направлению, начатых практически со времени создания лазеров, проблема модификации заданным образом физико-химических свойств материалов под воздействием лазерного излучения остается приоритетной и на сегодняшний день и требует специальных экспериментальных условий по наблюдению и управлению в реальном масштабе времени развитием лазерно-индуцированных процессов. Особое значение при этом имеет получение новых наноструктурированных материалов при образовании поверхностных микро- и наноструктур.
Одним из методов возбуждения таких структур является наноструктуризация поверхности при остывания образца после лазерного нагрева и плавления поверхности материала, а также лазерная абляция вещества образца с его осаждением на поверхности подложки, располагаемой непосредственно над облучаемым образцом. Дальнейшее развитие данных методов связано с возможностью управления параметрами образующихся по таким механизмам микро- и наноструктур в поле лазерного излучения. Принципиально, что с помощью исследуемых гидродинамических нелинейных процессов создаются пространственно протяженные поверхностные области с изменяемой топологией наноструктур в зависимости от конкретных условий лазерного эксперимента. Получение таких новых наноструктурированных материалов с требуемыми поверхностными характеристиками представляет актуальную задачу современного материаловедения и нанотехнологий, в которых методы лазерной физики могут играть доминирующую роль.
Динамика развивающихся нелинейных волновых процессов в области лазерного плавления поверхности твердого тела может быть исследована разными методами. Например, определение скорости движения потока расплава - с помощью доплеровской анемометрии, измерение периода испарительнокапиллярных волн - по колебаниям интенсивности эрозионного факела и т.п.
Однако, проведение диагностики высокотемпературных процессов, сопровождающихся лазерным расплавом вещества на поверхности исследуемого образца, непосредственно во время лазерного воздействия в самой области взаимодействия затруднена из-за присутствия экранирующего свечения эрозионного факела, возникающего над облучаемой поверхностью, и собственного излучения нагретой до высокой температуры поверхности материала. Это препятствует применению для исследования зоны взаимодействия в реальном масштабе времени прямых и высокоинформативных методов распознавания нелинейных оптических образов с помощью скоростных методов регистрации видеоизображений, которые представляют наибольший интерес в аспекте изучения физических механизмов, ответственных за лазерно-возбуждаемые гидродинамические процессы и неустойчивости при поверхностном плавлении твердых тел, а также для разработки методов прямого управления развитием нелинейных волновых процессов и явлений непосредственно во время лазерного воздействия.
В данной работе впервые эти вопросы рассмотрены в едином комплексе и проведено детальное изучение процессов формирования микро- и наноструктур на поверхности твердого тела под действием лазерного излучения в условиях расплава вещества на основе оригинальных методов лазерной диагностики и распознавания образцов при развитии динамических нелинейных явлений в реальном масштабе времени.
Целью диссертационной работы являлось решение крупной научной проблемы - установление закономерностей направленного формирования микро- и наноструктур на поверхности твердых тел в результате их расплава в лазерном поле в условиях возбуждения лазерно-индуцированных гидродинамических и термохимических процессов, ответственных за развитие пространственновременных неустойчивостей и за последующее образование микро- и наноструктур с управляемой топологией на поверхности различных веществ.
Для достижения данной общей цели были решены следующие конкретные задачи:
1) разработаны оригинальные экспериментальные методы регистрации и распознавания нелинейных оптических изображений, которые позволили проводить исследования лазерно-индуцированных нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности твердых тел в реальном масштабе времени в условиях недоступных для стандартных методов измерений из-за экранировки изучаемой поверхности излучением плазменного факела, возникающего непосредственно над облучаемой поверхностью;
2) создана математическая модель формирования оптического изображения в лазерном усилителе яркости, используемого для визуализации в реальном масштабе времени процессов модификации поверхности образца при воздействии лазерного излучения;
3) изучены нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности различных сред в области лазерного воздействия и определены их характеристические параметры;
4) исследованы пространственно-временные гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности различных веществ в условиях их лазерного плавления;
5) разработана математическая модель многовихревой термокапиллярной конвекции на поверхности твердых тел, индуцированной лазерным излучением в ванне расплава;
6) предложены новые методы реконструкции трехмерных структур, образующихся в процессе лазерного воздействия на поверхность твердых тел, на основе двумерных динамических оптических изображений, полученных с помощью лазерного усилителя яркости;
7) впервые надежно зарегистрировано плавление графита в лазерном поле при атмосферном давлении, обнаружено вытекание жидкого углерода из ванны расплава и изучены характерные особенности процесса плавления;
8) исследованы процессы наноструктуризации поверхности углеродосодержащих материалов в поле лазерного излучения и определены условия направленного формирования микро- и наноструктур из жидкой фазы графита;
9) изучены процессы лазерной абляции с поверхности образцов стеклоуглерода и графита и разработаны методы лазерного напыления пространственно протяженных наноструктурированных объектов на поверхность подложки, располагаемой непосредственно над облучаемым образцом.
Объектами исследования в настоящей работе являлись материалы, представляющие интерес для современных лазерных и лазерноинформационных технологий - металлы (медь, титан, сталь, вольфрам, молибден, золото) и их сплавы, углеродосодержащие материалы (графит разных модификаций, стеклоуглерод), слоистые структуры (хромированные покрытия различных металлов), а также диэлектрические материалы, включая оптические волокна. Отдельные эксперименты были поставлены на биологических тканях. Весь комплекс проведенных исследований с различными объектами показал универсальность разработанных оригинальных экспериментальных подходов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется проведением комплексных экспериментальных исследований лазерно- индуцированных пространственно- временных неустойчивостей и поверхностных структур при лазерном нагреве и плавлении твердых тел методами оптического лазерного зондирования и измерений микро- нанопараметров изучаемых объектов с помощью сканирующей зондовой и электронной микроскопии. Результаты данных экспериментов сопоставлены с выводами выполненных теоретических исследований, с использованием математического моделирования и подходов нелинейной динамики для распознавания оптических изображений в условиях развития нелинейных волновых процессов и неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением в конденсированной среде.
Используемые экспериментальные методики и теоретические подходы:
- поверхности исследуемых твердотельных образцов из различных материалов шлифовались и производилась их оптическая полировка; в отдельных случаях наносились покрытия на поверхность образцов методом вакуумного напыления и химического осаждения;
- эксперименты выполнялись с использованием современных автоматизированных лазерных комплексов, работающих в импульсно-периодическом и непрерывном режимах; исследование динамических нелинейных процессов в области воздействия мощного оптического излучения неодимового лазера (излучение накачки) на материалы проводилось в реальном масштабе времени при помощи оригинальной экспериментальной методики с использованием лазерного усилителя яркости (лазер на парах меди) с компьютерной обработкой оптических изображений, регистрируемых скоростной цифровой камерой; изучение морфологии получаемых поверхностных наноструктур осуществлялось при помощи сканирующей электронной и зондовой микроскопии; для изучения скорости лазерно-индуцированных гидродинамических течений применялся доплеровский анализатор;
- для теоретического описания термохимических и гидродинамических процессов и неустойчивостей, возбуждаемых лазерным излучением в конденсированной среде, применялись методы математического моделирования на основе уравнений нелинейной динамики и численного моделирования; пространственные характеристики возбуждаемых лазерным излучением поверхностных структур, которые регистрировались в виде динамических оптических изображений, моделировались на основе подходов фрактальной геометрии.
Научная новизна работы заключается в получении приоритетных результатов как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью различных твердых тел в условиях формирования поверхностных микро- и наноструктур при лазерном нагреве и расплаве вещества образцов, а также в разработке физических моделей для описания наблюдаемых нелинейных волновых процессов и неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением на поверхности твердых тел. Эти результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.
1. Разработан оригинальный экспериментальный метод визуализации в реальном масштабе времени области лазерного воздействия на поверхность твердого тела, недоступной при стандартных методах измерения из-за экранирования области взаимодействия плазменным факелом, возникающим непосредственно над поверхностью облучаемого материала, с использованием лазерного усилителя яркости с компьютерной обработкой получаемых оптических динамических изображений.
2. На основе данного метода впервые обнаружена жидкая фаза графита, образующаяся при его плавлении при внешнем атмосферном давлении 1 атм. и температуре около 4000 К. Процесс образования жидкого углерода при плавлении графита в поле сфокусированного лазерного пучка регистрировался в реальном масштабе времени с фиксацией всех этапов развития пространственновременных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов в расплаве.
3. Впервые экспериментально получены и исследованы методами зондовой и электронной микроскопии микро- и наноструктуры, образующиеся при лазерном воздействии на поверхность стеклоуглерода. Показано, что наноструктуризация поверхности происходит как в условиях кристаллизации жидкой фазы углерода внутри ванны расплава, так и из-за осаждения паров вещества на холодную поверхность за ее пределами. Обнаружены несколько типов пространственных наноструктур с управляемой топологией - нанопики, микропоры, квазидомены - в зависимости от выбираемых параметров лазерного пучка и условий эксперимента.
4. Зарегистрировано новое явление - образование упорядоченных субмикронных структур и наноструктур при воздействии мощного лазерного излучения на слоистую систему: прозрачная среда (стекло), тонкий воздушный слой, поглощающая среда (графит). При использовании микро- и наноструктурированного графита в такой системе в результате процесса лазерной абляции эти микро- наноструктуры переносятся (копируются) на поверхность прозрачной среды. Для данной схемы лазерной фотолитографии определены оптимальные геометрические параметры слоистой системы и критические режимы осаждения, приводящие к образованию упорядоченных структур управляемым образом.
5. Предложен новый способ изучения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических процессов на поверхности твердых тел (металлы, сплавы, тонкие пленки и др.) с помощью диагностики области лазерного воздействия в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости. Получены пространственные распределения во времени толщины слоя компактного окисла в процессе лазерного воздействия. Показано, что экспериментальные результаты для реально изучаемых поверхностей материалов могут значительно отличаться от ожидаемых теоретических зависимостей, рассчитанных для идеализированных поверхностей. Впервые зарегистрированы в реальном масштабе времени оптические изображения гидродинамических пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности различных материалов, и выявлены условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур при обратном действии паров отдачи, возникающих при лазерном испарении/абляции вещества и приводящих к экранировке излучением возникающего плазменного факела наблюдаемой области лазерного воздействия. Предложен новый способ контроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации непосредственно в процессе сварки сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.
6. Впервые на основе подходов нелинейной динамики классифицированы в численных показателях получаемые динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество в условиях реализации различных режимов/ последовательных стадий лазерно-индуцированных нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности образцов - ламинарное течение, турбулентные потоки, испарение вещества с поверхности расплава. В условиях выплеска расплава вещества измерен спектр пространственных частот динамического процесса, определяемый характерными размерами поверхностных возмущений течения жидкости и плотностью мощности излучения лазерной накачки.
7. С использованием подходов фрактальной геометрии и теории информации впервые получены характерные численные параметры, определяющие степень хаотизации процесса лазерного плавления вещества на основе обработки регистрируемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия. Показана связь этих параметров с состоянием поверхности и определена их зависимость от различных режимов возбуждения гидродинамических неустойчивостей в ванне расплава. Обнаружен хаотический характер низкочастотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением при плавлении вещества, и показано, что в спектре этих колебаний проявляется механизм субгармонического каскада удвоения периода колебаний.
Практическая значимость исследований. Полученные в диссертации результаты представляют практический интерес для разработки новых физических принципов получения материалов с управляемыми физико-химическими свойствами, определяемыми свойствами поверхности образца, на которой возбуждаются микро- и наноструктуры в поле лазерного излучения. На основе проведенных исследований могут быть созданы новые лазерные и лазерноинформационные технологии с управлением в реальном масштабе времени процессом лазерной обработки материалов. Практическая значимость полученных результатов подтверждена шестью патентами (приведены в конце списка опубликованных работ по теме диссертации).
Выполненные исследования поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований, федеральными целевыми программами Министерства образования и науки РФ, федерального Агентства по образованию.
Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту 1. Оригинальный автоматизированный лазерно-информационный комплекс, включающий в себя мощный лазер накачки, зондирующий канал и канал регистрации, позволяющий осуществлять визуализацию в реальном масштабе времени области лазерного воздействия на поверхность твердого тела, недоступной при стандартных методах измерения из-за ее экранировки плазменным факелом, возникающим непосредственно над поверхностью облучаемого материала, с использованием лазерного усилителя яркости с автоматизированной компьютерной регистрацией и обработкой получаемых оптических динамических изображений поверхности образца.
2. Прямая регистрация в реальном масштабе времени жидкой фазы графита, образующейся при его лазерном плавлении при внешнем атмосферном давлении 1 атм. и температуре около 4000 К, с фиксацией всех этапов развития пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов во время процесса образования жидкого углерода в расплаве.
3. Методика получения микро- и наноструктур при лазерном воздействии на поверхность стеклоуглерода в условиях его плавления и измерение их характеристик методами зондовой и электронной микроскопии; выяснение механизмов наноструктуризации поверхности, которая происходит как в условиях кристаллизации жидкой фазы углерода внутри ванны расплава, так и из-за осаждения паров вещества на холодную поверхность за ее пределами, и обнаружение нескольких типов пространственных наноструктур с управляемой топологией Цнанопиков, микропор, квазидоменов - в зависимости от выбираемых параметров лазерного пучка и условий эксперимента.
4. Новое явление образования упорядоченных субмикронных структур и наноструктур при воздействии мощного лазерного излучения на слоистую систему в схеме лазерной фотолитографии - прозрачная среда (стекло), тонкий воздушный слой, поглощающая среда (графит), - которые в результате процесса лазерной абляции с поверхности микро- и наноструктурированного графита в такой системе переносятся (копируются) на поверхность прозрачной среды;
определение оптимальных геометрических параметров слоистой системы и критических режимов осаждения вещества для управляемого получения поверхностных структур с заданной топологией.
5. Новые методы измерения пространственно-временных характеристик лазерно-индуцированных термохимических и гидродинамических процессов на поверхности твердых тел (металлы, сплавы, тонкие пленки и др.) на основе диагностики области лазерного воздействия в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа с усилителем яркости, позволяющие получать пространственные распределения во времени толщины слоя компактного окисла в процессе лазерного воздействия, осуществлять регистрацию в реальном масштабе времени динамической картины гидродинамических пространственно-временных неустойчивостей и нелинейных волновых процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности различных материалов, и выявлять условия возбуждения и разрушения поверхностных волновых структур в условиях обратного действия паров отдачи, возникающих при лазерном испарении/абляции вещества, а также новый способ контроля качества сварки оптических волокон, основанный на визуализации непосредственно в процессе сварки сварного соединения с помощью лазерного усилителя яркости.
6. Классификация в численных показателях на основе подходов нелинейной динамики получаемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия на вещество в условиях реализации различных режимов/ последова тельных стадий лазерно-индуцированных нелинейных процессов и неустойчивостей на поверхности образцов - ламинарного течения, турбулентных потоков, сублимации вещества с поверхности расплава - и измерение в условиях выплеска расплава вещества спектра пространственных частот динамического процесса, определяемого характерными размерами поверхностных возмущений течения и плотностью мощности лазерного излучения накачки.
7. Использование подходов фрактальной геометрии и теории информации для получения характерных численных параметров, определяющих степень хаотизации процесса лазерного плавления вещества на основе обработки регистрируемых динамических оптических изображений области лазерного воздействия, и определение связи этих параметров с состоянием поверхности образца в зависимости от различных режимов возбуждения гидродинамических процессов в ванне расплава; обнаружение хаотического характера низкочастотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением при плавлении вещества, в условиях проявления механизма субгармонического каскада удвоения периода колебаний.
ичный вклад автора в проведенное исследование Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или в соавторстве при непосредственном его участии, либо под его непосредственным руководством.
Апробация работы проведена в ходе выступлений на российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications`95,98 SPIE`95,98 (Shatura, Russia, 1995,1998), VIII International Conference Laser Application Engineering LAE-(St.Petersburg, 1996), II International Symposium on Modern Problems of Laser Physics (Akademgorodok, Novosibirsk, Russia, 1997, 2004, 2008), XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ICONOТ98 (Moscow, 1998), международная конференция Лазерные технологии-98 ILLA-98 (Шатура, Россия, 1998), ILLA-2003 (Смолян, Болгария, 2003), международная конференция LANEТ1997, 2001, 2007 (Erlangen, Germany, 1997, 2001, 2007), VII международная конференция Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), II российско-французский лазерный симпозиум Современные направления в лазерной физике: спектроскопия, квантовые эффекты и атомная оптика, оптические изображения и информация (Владимир-Суздаль, Россия, 2001), международная конференция LAT-2002, 2005 (Москва, 2002, Санкт - Петербург, 2005), International Conference Laser Optics-03 (St.Petersburg, 2003), International Conference on High Power Laser Beams HPLB-2006 (Nizhny Novgorod, 2006), International Conference Advanced Laser Technologies ALT'06 (Braov, Romania, 2006), International Conference ICONO/LAT (Minsk, 2007), German-Russian Laser Symposium 2006, 2008 (Nizhniy Novgorod 2006, Luebeck, Rostok and Hamburg, 12-18 April, 2008).
Публикации результатов работы. Материалы диссертации опубликованы в 43 научных статьях, в том числе 25 статей в журналах из перечня рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ для публикации научных результатов диссертаций; по результатам исследований получено 6 патентов на изобретения. Всего по результатам диссертации опубликовано более 100 работ в различных научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 2страниц, 78 рисунков и 5 таблиц. Список использованных источников содержит 285 наименований.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и конкретные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения работы, выносимые на защиту, приведен краткий обзор литературы по исследуемой проблеме.
Первая глава диссертации посвящена изучению основных методов лазерной диагностики и лазерным методам формирования микро- и наноструктур.
На основании анализа литературных данных и оригинальных результатов предложены оптические схемы регистрации процессов, которые происходят в области лазерного воздействия. В качестве основного метода регистрации таких процессов предлагается схема так называемого лазерного монитора. Лазерный монитор представляет собой лазерный усилитель яркости, сопряженный с системой компьютерной регистрации и обработки оптических изображений. Для целей данной работы на основе лазерного монитора создан проекционный микроскоп. Принципиальная схема используемого в работе автоматизированного лазерного комплекса приведена на рис.Рис. 1. Схема экспериментального комплекса: 1-мощный лазер (YAG:Nd), - шторка, 3 - корректирующая линза, 4 9 зеркало, 5 - объектив, 6 - исследуемый образец на координатном столе, 7 - пово1 ротное зеркало, 8 - пьезосистема управления поворотным зеркалом, 9 - диафрагма, 10 - лазер на парах меди, 11 - проекционная система, 12 - светоделиX тельная пластина, 13 - экран, 14 - цифроY вая камера, 15 - компьютер, 16 - монитор, 17 17 - блок управления мощным лазером и координатным столом.
Базовые параметры лазерного комплекса:
блок накачки cиловой лазер: YAG: Nd3+ длина волны излучения 1.06 мкм частота следования импульсов 150 Гц длительность импульса 2 мс мощность излучения 10-100Вт интенсивность на поверхности образца 104 - 107 Вт/смблок зондирования и визуализации лазерный монитор: лазерный усилитель на парах меди длина волны 510.4 нм частота следования импульсов 16 кГц длительность импульса 20нс мощность излучения 1 Вт блок регистрации стробоскопическая камера (Strobe Module Optical System): длительность стробоскопического импульса от 10 нс до 30 мкс с шагом в 2 нс разрешение в двух режимах (1) 5000 fps (2 10-4с на кадр) - по оси x; 1258 x 100 pixels- по оси y (2) 500 fps (2 10-3с на кадр) - по оси x; 1258 x 1258 pixels- по оси y.
Возможности лазерных проекционных микроскопов для визуализации высокотемпературных процессов продемонстрированы в работе*) [1]. Наибольшие перспективы в применении такого рода оптических схем связаны с быстрым прогрессом методов скоростной съемки и методов компьютерной обработки оптических изображений.
Преимущества разработанной экспериментальной установки при исследовании высокотемпературных процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с материалами в условиях образования паразитной засветки от эрозионного факела, экранирующего область воздействия, наглядно проявились при проведении сравнительного эксперимента. При интенсивности излучения силового лазера порядка 4105 Вт/см2 эрозионный факел развивается настолько, что его свечение полностью экранирует область взаимодействия лазерного излучения с поверхностью материала, не позволяя производить ее наблюдение. На изображение области взаимодействия, полученное в канале с ________________________________________ *) Ссылки цитируемых работ других авторов приводятся в конце автореферата усилителем яркости, это не оказывает влияние, а изображение, полученное в канале без усиления, становится непригодным для исследования процессов, протекающих на поверхности.
При формировании изображения в лазерном усилителе яркости следует различать два случая - линейного и нелинейного режима работы лазерного усилителя. В первом случае, мощность светового пучка на входе лазерного усилителя мала и усиливаемое излучение не меняет инверсную населенность уровней. Тогда световое поле на выходе лазерного усилителя будет иметь поперечное распределение, совпадающее с таким распределением, какое было бы и при отсутствии усиливающей среды, но усиленное в exp(L) раз, где - ненасыщенный коэффициент усиления. Во втором, общем случае, нужно учесть влияние усиливаемого излучения на инверсную населенность уровней, т.е.
учесть эффект насыщения усиления.
Особенно сильные искажения претерпевает сигнал в том случае, когда большое усиление сосредоточено на малой длине. При увеличении длины усилителя относительная доля искажений должна снижаться, однако провести анализ для произвольного вида сигнала в этом случае не удается. Поэтому построение общей модели формирования изображения в усилителе яркости для произвольного вида сигнала невозможно, и нужно рассматривать каждый конкретный случай в отдельности.
Математическая модель формирования сигнала со сложной поперечной структурой в лазерном усилителе построена на основе теоретического подхода развитого в работах [2,3]. Математическая модель формирования изображения в оптической системе с лазерным усилителем яркости отражает в себе объединенное решение задачи дифракции светового пучка на элементах оптической схемы и задачи преобразования сигнала в лазерном усилителе яркости при учете нелинейного эффекта насыщения.
В численных расчетах были использованы оптические изображения области лазерного воздействия на поверхность вещества, полученные экспериментально при помощи установки, параметры которой приведены выше. Изображения имели сложное, случайное распределение яркости. На рис.2 приведено исходное изображение (область лазерного воздействия).
Рис. 2. Рис. 3. Рис. 4 Рис. 5.
На рис.3-5 приведены результаты численного моделирования формирования изображения при параметрах (ненасыщенный коэффициент усиления) -1 -1 -равных 0,1 см (рис.4), 0,7 см (рис.4) и 0,14 см (рис.5) соответственно. Из приведенных изображений видно, что в линейном режиме усиления изображение практически полностью совпадает с исходным, а при наличии насыщения -1 -( = 0,7 см, = 0,14 см ) контраст изображения заметно ухудшается.
Исследование термохимических реакций проводилось на образцах из различных металлов и сплавов: сталь различных марок (20, 40, 60, нержавеющая а) б) сталь марки 10Х17Н2), медь электролитическая, латунь, титаРис.6. Изображения поверхности образца из тиновый сплав ВТ9, свинец и др.
танового сплава, полученные при помощи лазерОбразцы подвергались воздейстного монитора: а) до воздействия лазерного извию излучения твердотельного лучения, б) во время воздействия лазерного из0,1 мм лазера YAG:Nd различной мощлучения.
ности (до 30 Вт) сфокусированного в пятно диаметром 0,1 мм. На рис.6б приведено характерное компьютерное изображение поверхности одного из исследованных нами образцов из титанового сплава в процессе воздействия на эту поверхность излучения твердотельного лазера. Отчетливо выделяется область воздействия лазерного излучения на поверхность металла (отмечена двойной стрелкой) и расходящийся фронт в виде локализованной темной полосы (отмечен стрелкой). Основываясь на результатах проведенных экспериментальных исследоРис.7. Распределение толщины ваний, описываемый фронт был интерпреокисного слоя h на поверхности титирован как интерференционный минимум тана. Сплошной линией показано распределение, полученное по ре- отражения от системы окисел-металл в слузультатам эксперимента, штрихочае образования на поверхности металла вой линией показано распределекомпактного окисла.
ние, соответствующее расчетам Образующийся на поверхности металпо математической модели ла слой окисла существенно изменяет условия отражения зондирующего излучения, что позволило, исходя из изменений коэффициента отражения излучения лазера на парах меди, определять толщину этого слоя. Толщина слоя окисла определялась в предположении достаточно плавного изменения параметров слоистой системы окисел-металл вдоль облучаемой поверхности, так что локально выполняются известные соотношения для коэффициента отражения излучения по амплитуде от системы окиселметалл (рис.7).
Полученные зависимости качественно правильно отражают динамику и распределение слоя окисла на поверхности образца титана в условиях неоднородной освещенности. Однако экспериментальная зависимость имеет более сложный характер, что, по-видимому, является следствием, как неоднородных свойств поверхности металла, так и влияния других факторов на коэффициент отражения (например, неоднородности слоя окисла, вызванной появлением трещин слоя окисла (разбиением окисла на зерна)[4]).
Одним из важных требований к волоконно-оптическим системам связи является реализация малых потерь, вносимых волоконно-оптическими элементами. Волоконно-оптические системы передачи информации, как правило, создаются не на одном непрерывном световоде, а предполагают соединения многих оптических волокон, в том числе и неразъемные, осуществляемые сваркой.
Сварное соединение становится своеобразным дефектом на пути исследования передаваемого сигнала и приводит к его дополнительному затуханию. Поэтому принципиальным становится вопрос о качестве сварного соединения.
Для решения сформулированной выше задачи были проведены исследования процесса сварки оптических волокон при помощи разработанной экспериментальной установки по исследованию высокотемпературных процессов обработки устройств оптоэлектроники. Установка включает в себя аппарат для электродуговой сварки оптических волокон, сопряженный с лазерным монитором на основе лазера на парах меди. Лазер на парах меди, являющийся основным элементом экспериментальной установки, осуществляет подсветку, усиление яркости изображения области обработки и фильтрацию от излучения фоновой (паразитной) засветки.
Описанная выше экспериментальная установка и методика диагностики процесса сварки оптических волокон лежат в основе разработанного способа контроля соосности волоконных световодов. Разработанная установка позволила визуализировать процесс получения сварного соединения световодов и наблюдать его от начала (позиционирование оптических волокон) до конца (выравнивание и остывание оптического волокна).
Важнейшие предпосылки для применения лазерного излучения в целях формировании микро- и наноструктур обусловлены высоким уровнем понимания фундаментальных законов при развитии лазерно-индуцированных процессов. Следует отметить, что к моменту проведения данных исследований существовал ряд проблем, который требовал разрешения. В качестве одной из таких проблем можно отметить динамику развития пространственных и временных термодинамических и гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением, так как именно в условиях неустойчивостей следует ожидать формирования микро- и наноструктур при лазерном воздействии. Решение такого рода задач представляет несомненный интерес. Однако математические модели существуют только для слабо неравновесных систем. Например, при термокапиллярной конвекции в теоретических моделях рассматривается многовихревая конвекция. Необходимо сделать следующий шаг в моделировании и рассмотреть переход к турбулентному режиму движения расплавов под действием лазерного излучения. Представляется весьма важным выбор количественных признаков и показателей перехода к хаотическому состоянию гидродинамических колебаний расплава. В данной работе анализ проводился на основе обработки оптических изображений области лазерного воздействия, которые были получены при помощи лазерного монитора. В качестве количественных параметров, характеризующих состояние поверхности, были выбраны информационная и топологическая энтропия, которые в дальнейших исследованиях использовались как критерии порядка наблюдаемых оптических изображений.
Еще один подход к формированию микро- и наноструктур при лазерном воздействии это лазерная абляция и осаждение продуктов абляции на холодной подложке. В качестве объекта исследований при таком подходе нами были выбраны углеродосодержащие материалы. Это, в первую очередь, графит различной плотности и стеклоуглерод. Самостоятельный интерес представляет проблема плавления этих материалов, так как по литературным источникам не существует единого мнения о возможности плавления графита при атмосферном давлении [5,6]. Учитывая это, исследование формирования микро- и наноструктур на поверхности графита при лазерном воздействии представляет интерес с точки зрения ответа на вопрос о существовании жидкой фазы при атмосферном давлении.
В данной главе сообщается также о методах получения наночастиц при лазерном воздействии на вещество. Рассмотрены основные методы наблюдения наноструктур в настоящем исследовании с помощью методов сканирующей, зондовой и электронной микроскопии.
Таким образом, в диссертационной работе выбраны объекты исследований, определены задачи исследований. В качестве основного экспериментального метода лазерной диагностики в реальном масштабе времени выбран метод лазерной проекционной микроскопии с компьютерной обработкой оптических изображений. Изучение свойств полученных микро- и наноструктур проводилось с помощью зондовых микроскопов SMENA и NTEGRA, точность разрешения которых удовлетворяла требованиям, поставленным в исследовании.
Отдельные образцы исследовались методом электронной сканирующей микроскопии.
В главе 2 представлено исследование временной эволюции рельефа поверхности графита, подвергающейся воздействию лазерного излучения. Лазер ное воздействие на поверхность твердого тела может приводить к твердофазному разрушению (сублимации), минуя фазу расплава. В связи с этим представляет интерес применение экспериментальной методики, рассмотренной в предыдущей главе для изучения материалов, в которых происходит сублимация под действием лазерного излучения. В качестве объекта исследования был выбран графит. Основанием для такого выбора послужило то обстоятельство, что наблюдение эволюции поверхности графита под действием лазерного излучения представляет самостоятельную актуальную задачу. Эта актуальность обусловлена тем, что в настоящее время во многих технологических процессах обработки графитовых образцов с целью получения новых материалов (алмазоподобных пленок, нанотрубок и т.д.) активно применяются лазерные комплексы.
С помощью лазерного монитора получены видеоизображения поверхности графита, подвергающейся воздействию сконцентрированного лазерного излучения. Зафиксировано существование перемещающегося по нагреваемой поверхности светлого кольца. Предложен и реализован метод восстановления рельефа поверхности по видеоизображению, получаемому с помощью лазерного монитора. Восстановлен эволюционирующий во времени рельеф поверхности графитового образца. Относительные изменения высот рельефа в процессе лазерного воздействия прослеживаются вполне надежно. Поперечные размер неоднородностей очень слабо зависит от формы диаграммы отражения, что позволило надежно определить как статистические характеристики размеров неоднородностей, так и характер изменения этих характеристик в процессе лазерного воздействия на поверхность графитового образца.
До недавнего времени проблема существования карбина на фазовой диаграмме углерода находила свое отражение в существовании двух альтернативных фазовых диаграммах углерода. Согласно первой из них [7], в интервале температур Т = 2600 - 3800 К существуют устойчивые фазы карбина. При полной конверсии графита в карбин реализуется карбиновая тройная точка твердое телоЦжидкостьЦпар, давление и температура в которой соответственно равны ртт = 2104 Па и Ттт = 3800 К. Согласно второй фазовой диаграмме [8], существует только графитовая тройная точка твердое телоЦжидкостьЦпар с параметрами ртт 107 Па и Ттт 5000 К. Существование области карбина ставится в этой диаграмме под сомнение. Единственной работой, в которой плавление углерода при давлении около 1 бар и температуре около 3800 К зафиксировано с помощью скоростной киносъемки по отрыву капель жидкого углерода от зоны нагрева, создаваемой сконцентрированным лазерным излучением на боковой поверхности вращающегося с большой скоростью пирографитового цилиндра, является работа [9]. До сих пор результаты [9] никем не повторены, что, по-видимому, и служит главной причиной сомнений в их надежности. Повидимому, главная причина сомнений в достоверности результатов заключается в отсутствии однозначных свидетельств плавления углерода, будь то при борная регистрация процесса плавления в реальном времени или наличие значительных количеств карбина в переплавленном графите.
Цель данной работы заключалась в непосредственной регистрации приборным методом плавления углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением при давлении порядка 1 бар, и в исследовании структуры переплавленного графита. Графитовый образец нагревался сфокусированным излучением импульсно-периодического YAG:Nd3+-лазера (частота повторения импульсов 150 Гц, длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса излучения 3 мс). Средняя мощность излучения Р регулировалась в пределах от 20 до 80 Вт. Регистрация зоны взаимодействия лазерного излучения с поверхностью графита осуществлялось с помощью усилителя яркости на основе лазера на парах меди (ЛПМ). Для наблюдения вытекания жидкого углерода использовалась наклонная геометрия, когда излучение YAG:Nd3+-лазера направлялось под углом 60, а излучение ЛПМ под углом 900 (перпендикулярно) к поверхности образца. Излучение YAG:Nd3+-лазера фокусировалось на поверхности графитового образца в пятно, имеющего форму неправильного эллипса с поперечными размерами около 0,15 мм и 0,7 мм. Поперечные размеры зоны наблюдения составляли примерно 1,4 мм. Регистрация оптических изображений нагреваемой поверхности образца осуществлялась с помощью цифровой камеры с частотой 500 кадров в секунду. В качестве исследуемого образца был выбран графит, который является чистым в аспекте проведенных спектральных измерений и применяющийся в лабораторных угольных дугах с целью использования анодного пятна в качестве эталона яркостной температуры (3800 К) на длине волны 0,65 мкм. Содержание примесей в материале образцов: Fe - 910-5 %, Mg - 310-5 %, Mn - 810-5 %, Al - 110-3 %, Si - 510-4 %, Cu - 110-4 %, B - 210-4 %.
Такой же графит использовался в работе [10], в которой был осуществлен поиск признаков плавления углерода в катодном и анодном пятнах угольной дуги.
Основным средством наблюдения служил также лазерный усилитель яркости.
В работе [10] не было получено однозначных наглядных свидетельств плавления углерода на графитовых электродах. Однако было установлено наличие катодного кратера, и в результате анализа всей совокупности экспериментальных данных был сделан вывод о том, что в катодном кратере стабилизация плотности тока на уровне 5103 А/см2 осуществляется при температуре около 4000 К в результате плавления карбина, которое одновременно является не только фазовым переходом твердое тело-жидкость, но и фазовым переходом проводникдиэлектрик.
На рис. 8 приведены три (а,б,в) видеокадра, иллюстрирующие эволюцию поверхности графитового образца под действием лазерного излучения. Четвертое изображение (г) получено с помощью обычного оптического микроскопа после окончания эксперимента. Видно, что первоначально на поверхности образца образуется продолговатая каверна. Со временем происходит увеличение ее размеров и формирование ободка, расположенного по границе каверны и выступающего над поверхностью графита. Затем в головной части каверны, обра зующейся вокруг области фокусировки излучения YAG:Nd3+-лазера, происходит вытекание жидкого углерода, приводящее к разрушению соответствующей части ободка (место разрушения обозначено стрелкой). и растеканию жидкого углерода по поверхности образца на расстояние около 0,2 мм от ободка каверны.
Время, в течение которого происходит вынос жидкого углерода за пределы каверны, не превышает 0,3 с. В дальнейшем движение расплава по поверхности прекращается, он кристаллизуется. После этого внешний вид каверны мало меняется и хорошо сохраняется после охлаждения образца (см. рис 8г.).
В диссертации предложен метод восстановления трехмерного рельефа поверхности на основе двумерного оптичеРис. 8. Изображения поверхности графита, эволюционирующей под дейст- ского изображения. Метод основан на завием лазерного излучения (а, б, в), и коне отражения лазерного излучения от после окончания эксперимента (г);
поверхности исследуемых образцов с учеа) время взаимодействия t = 184 мc; б) том отражательных свойств материала t = 258 мс; в) t = 534 мс. Кружочки обозначают зоны, от которых получе- (индикатрисы рассеяния при отражении).
ны КР-спектры.
Для восстановленных рельефов оценивалась шероховатость поверхности с использованием статистики Херста. Значение показателя Херста (H) позволяет найти коэффициент корреляции (C) между двумя точками на шероховатой поверхности из следующего соотношения:
C(r) = 22H -1 -, где Н зависит от в виде /, - размах, то есть разность между максимальной и минимальной высотой поверхностных шероховатостей на удаление от центра по всем радиальным направлениям, S( ) - стандартное отклонение высот, - безразмерное расстояние. Таким образом, С( ) аналогичен коэффициенту корреляции двумерного случайного изотропного распределения высот. Полученные результаты такого анализа состояния поверхности приведены в таблице 1.
Таблица Время после начала лазерного воз- Коэфф. корреляции действия С(r) 0с 0,0,44с 0,0,76с 0, Следовательно, шероховатость поверхности уменьшается со временем, что связано с образованием жидкой фазы внутри лазерной каверны.
Согласно данным о температуре углерода в областях замыкания тока на катодах сильноточных угольных дуг в свободном воздухе, существует предельная температура 4000 К, которая достигается при токе дуги 400 А и не изменяется с его дальнейшим ростом. В [9] эта температура отождествляется с температурой кипения углерода. Однако независимо от того, определяется это значение температуры кипением или сублимацией углерода, ее достижение должно сопровождаться сильной эрозией поверхности. Какие-либо признаки эрозии поверхности углерода в зоне выноса отсутствуют. Это означает, что температура углерода в названной зоне во время ее формирования не превышает 4000 К.
Для исследования изменений структуры переплавленного углерода относительно начальной структуры графита использовалась спектроскопия комбинационного рассеяния света (КР). Регистрация спектров КР осуществлялась на лазерном КР спектрометром Labram, оснащённом охлаждаемым CCD детектором и микроскопом. В качестве источника возбуждения рассеяния использовался HeNe лазер с длинной волны 632,8 нм и мощностью порядка нескольких милливатт. Спектры, полученные от разных участков образца вне зоны лазерного воздействия, практически совпадают, а интенсивность полосы D по сравнению с интенсивностью полосы G несколько больше. Это указывает на то, что исходный образец представляет собой достаточно сильно разупорядоченный графит. Спектры, зарегистрированные от зоны выноса близки к спектрам областей внутри каверны, однако отношение интенсивностей G и D линий на спектрах, полученных от различных областей каверны, несколько меняется от точки к точке, а в зоне выноса остаётся практически постоянным. Таким образом, внутренняя часть каверны более гетерогенна, чем зона выноса. Важно отметить, что интенсивность D линии на спектрах исходного графита заметно больше таковой, чем на спектрах от зоны, обработанной лазером. Это свидетельствует о том, что степень упорядоченности графита в исходном образце заметно ниже, чем в зонах, подвергшихся мощному лазерному воздействию.
Исследования процесса взаимодействия лазерного излучения с графитом в реальном масштабе времени с использованием лазерного монитора позволили зарегистрировать образование жидкой фазы графита при давлении порядка бар, экспериментально подтвердив тем самым реальность существования карбиновой тройной точки твердое телоЦжидкость-пар.
На рис.9 представлены полученные в режиме туннельного сканирования СТМ-изображения части областей взаимодействия лазерного излучения с образцом при мощностях лазерного излучения 30 Вт (рис.9а) и 60 Вт (рис.9б).
При меньшей мощности генерации неровности рельефа внутри каверны (выпуклости, впадины) с нехарактерным размером меньше поперечного размера каверны отсутствуют. При большей мощности реализуется существенно неоднородный (волнообразный) рельеф дна каверны. Этот факты согласуется с тем обстоятельством, что при мощности лазерного излучения 30 Вт плавления а) б) углерода в каверне не происРис.9. СТМ-изображения части областей взаимодейходит, а ее дно формируется ствия лазерного излучения с образцом при мощнов результате сублимации стях лазерного излучения (а) 30 Вт и (б) 60 Вт.
твердого углерода. При мощности лазерного излучения 60 Вт внутри каверны образуется жидкий углерод, гидродинамические возмущения которого способны привести к образованию неровностей поверхности дна каверны, наблюдаемых на рис. 9б.
На рис.10 представлены СТМ-изображения трех поверхностей: исходной а) б) в) Рис.10. СТМ-изображения исходной поверхности образца и различных частей части области взаимодействия лазерного излучения с образцом при мощности лазерного излучения 60 Вт: а) исходная поверхность, б) модифицированная поверхность в зоне нагрева, в) модифицированная поверхность в зоне выноса углерода.
(рис.10а), модифицированной в зоне нагрева (рис.10б) и поверхности зоны выноса жидкого углерода (рис.10в). Видно, что рельефы (структуры) всех трех поверхностей существенно отличаются друг от друга, что свидетельствует об изменении структуры графита в зонах нагрева и выноса жидкого углерода. Этот факт хорошо согласуется с данными КР-спектроскопии, согласно которым сте пень графитизации углерода в зоне нагрева и выноса жидкого углерода заметно выше степени его графитизации в исходном материале. Завершая анализ СТМизображений, представленных на рис.10, необходимо отметить, что волнообразный характер модифицированной поверхности (рис.10б) в зоне нагрева, повидимому, подтверждает факт плавления графита.
В главе 3 проведено исследование возможности образования наноструктур на поверхности углеродосодержащих образцов под действием лазерного излучения. Это является в настоящее время одним из наиболее активно развивающихся направлений лазерной физики. Развитие данной отрасли связано с тем, что свойства образующихся наноструктур существенно зависят от параметров лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, форма пучка), разработанные в последнее время лазерные системы позволяют охватить большой диапазон данных параметров, что позволяет рассчитывать на генерацию наноструктур с заданными свойствами.
В качестве объекта исследования использовался стеклоуглерод (СУ). Изза своей аморфной структуры, данный материал сравнительно легко поддается воздействию лазерного излучения с плотностью мощности не превышающей 107 Вт/см2. Указанный диапазон интенсивности в настоящее время является достаточно распространенным в технологических лазерных системах. В проведенных опытах обнаружены зависимости морфологических свойств генерируемых наноструктур от расстояния до центра области воздействия. Показано, что механизмы их образования имеют различную природу. Зафиксированы признаки образования расплава в центре лазерной каверны и осаждения из газовой фазы за границами области воздействия.Образец из стеклоуглерода подвергался воздействию излучения лазера на YAG:Nd3+ с длиной волны = 1,06 мкм, работающего в импульсно периодическом режиме с частотой следования импульсов f =150 Гц и длительностью импульса = 1,5 2,5 мс, размер лазерного пятна на образце изменялся от 100 до 400 мкм. Средняя мощность излучения варьировалась в пределах 30 80 Вт, при этом обеспечивалась плотность мощности излучения на поверхности образца до 107 Вт/см2. Длительность времени воздействия составляла от 1 до 10 секунд.
Свойства образцов после воздействия исследовались при помощи атомносиловой микроскопии (АСМ). Результатом зондирования материала являются изображения его поверхности. В ходе экспериментов удалось установить, что наиболее яркие признаки плавления СУ обнаруживаются на максимальной мощности P = 80 Вт для длительности воздействия не менее t = 3 с при давлении порядка 1 атм. Поэтому для анализа была принята условная граница по времени воздействия. Проведенные эксперименты показали, что для каверн, полученных при времени воздействия менее 3 с, наблюдаются характерные особенности:
а) образование двух визуально различимых областей: 1 - область непосредственного воздействия с гладким рельефом; 2 - область кольцевых образо ваний, сильно рассеивающая свет.
б) АСМ позволила обнаружить наноструктурирование поверхности образца: в первой области наблюдались структуры типа сталогнитов - провалов в а) б ) поверхности (см.
Рис.11. АСМ изображение поверхности образца при времерис.11а), для второй - ни воздействия t<3c и мощности P = 80 Вт: а) 2D рельеф характерны образования области 1, б) 2D рельеф области структур в виде нанопиков (см. рис.11б).
Dоб Можно отметить, что размер структур типа сталогнитов неоднороден и колеблется от 0,08 до 5 мкм по основанию. При этом средний 2 4 продольный размер достигает 200Dк 400 нм. Обнаруженные внутри области 2 образования нанопиков имеют диаметр основания 0,4 - 0,5 мкм, высоту 60-300 нм и наблюдаются разрозненными структурами у центрального кольца. К внешнему краю Рис.12. Изображение каверны на поверх- встречаются более уплотненные обности стеклоуглерода с оптическим увелиразования с меньшей высотой, но чением 28, P = 76 Вт, t = 5c.
большие по основанию. При увеличении времени воздействия t > 3 с наблюдался рост количества типичных зон, то есть при сканировании явным образом можно определить качественное изменение рельефа поверхности образца (см. рис.12).
Отслеживалось изменение радиального размера наблюдаемой области в целом, глубины центральной зоны каверны, изменение высот рельефа в переходных областях, а также образование множества разломов в центральной зоне.
В зоне 1 наблюдается переплавленный углерод. Внутри области перепады высот достаточно велики (см. рис.13а). В зонах 2 и 3 (см. рис.13б,в) наблюдаются почти регулярные квазидоменные структуры. Из-за высокой повторяемости структур их изображение напоминает образование нанозерен на поверхности материалов, обрабатываемых при высоких давлениях и температурах. Отличие вида границ доменов позволяет определить, что они сформировались под действием различных процессов. Образование в области 3 ярко выраженных правильных многоугольников (в нашем случае наблюдались пяти- и шести угольники) позволяет говорить о кристаллизации тонкого слоя однородной жидкости на аморфной поверхности. Разрушение правильных границ в области 2, возможно, является влиянием температурного фактора. На границе каверны, область 4, наблюдается образование ярко выраженных кольцевых структур.
Между кольцевыми выпуклостями поверхность сильно неоднородна, фиксируются множественные складки и образование наношероховатости (см.
рис.13г).
а) б) а) б) в) г) в Рис.13. АСМ изображение поверхности Рис.14. Наблюдение нанопиков вне области образца в различных зонах: а) централь- воздействия: а) внутренняя часть, области ная область; б) удаление от центра на рас- напыления, зона 5; б) образование внешнего стояние порядка 50мкм; в) граница кавер- ободка, зона 6; г) напыление на исходную ны, внутренняя область; г) граница кавер- поверхность, зона 7.
ны, внешний край.
В областях 5,6,7 были обнаружены образования нанопиков, при этом на поверхности образцов удаётся выделить переходную область. Её отличительной особенностью является возможность обнаружения исходного рельефа образца под новообразованиями (см. рис.14). Данная область имеет хорошо прослеживаемые границы, её размер зависит от мощности и длительности воздействия лазерного излучения.
Природа возникновения такой зоны неоднозначна. Возможно, процесс её формирования связан с осаждением горячих паров материала, покидающих область воздействия. Можно утверждать, что твердофазное разрушение поверхности под действием возникающих термических напряжений в данном случае не является доминирующим механизмом, поскольку сохраняется первоначальный рельеф. Исследования методом электронной сканирующей микроскопии в основном подтвердили выводы, полученные на основе АСМ. Однако позволили детализировать область лазерного воздействия и выявить характерные детали плавления. В частности, обнаружена область, в которой сформировались мик ропоры с характерными размерами порядка 5 мкм. В качестве физического механизма формирования микропор предложена неустойчивость Релея-Тейлора на границе жидкий углерод-пары углерода. Возможной причиной образования микропор может быть также кипение жидкого углерода, при котором в жидком углероде поднимаются пузыри газа. И в том, и в другом случае предполагается существование жидкой фазы углерода и быстрая кристаллизация поверхности после выключения лазерного излучения.
В главе 4 разработана экспериментальная методика получения наноструктур в поле мощного лазерного излучения (I ~ 107 Вт/см2) при осаждении паров углеродосодержащих материалов на поверхность холодной подложки. Особенностью данного метода является облучение образца в атмосферном воздухе при комнатной температуре и давлении близким к 1 атм. Были выявлены закономерности изменения морфологических свойств получаемых наноструктур от зазора между подложкой и образцом. Обнаружены изменения свойств оседающих частиц: изменение размеров наноструктур и их характерной формы в зависимости от выбранного материала. Проведены опыты по напылению углерода на поверхность холодной подложки при воздействии излучения YAG:Nd-лазера в атмосферном воздухе на поверхность углеродосодержащих материалов различной плотности и степени графитизации.
В качестве холодной подложки использовалась пластина кварцевого стекла, которая располагалась над образцом. Расстояние между пластиной и образцом изменялось от 2,5 мм до 0 (когда подложка лежит на образце), поэтому можно говорить, что напыление наблюдалось в слоистой структуре: прозрачная среда - слой воздуха - поглощающая среда.
Углеродосодержащие образцы (стеклоуглерод, пирографит, спектрально чистый графит) подвергались воздействию лазерного излучения с длительностью импульса 1,5 мс, при этом YAG:Nd лазер работал в режиме свободной генерации с максимальной средней мощностью излучения 100 Вт и частотой следования импульсов 150 Гц. Использование данного режима генерации позволило создавать долгоживущую плазму над поверхностью образца. Средняя длительность воздействия составляла 30 с, мощность излучения изменялась от 30 Вт до 60 Вт, размер пятна на образце составлял 400 мкм.
После воздействия поверхность подложки исследовалась методами атомно-силовой микроскопии с помощью сканирующего зондового микроскопа INTEGRA, работающего в контактном режиме с максимальной площадью сканирования 5050 мкм и точностью порядка 10 нм в плоскости сканирования.
Измерялись рельеф поверхности и распределение локальной силы трения (латеральные силы), поскольку в данном режиме сканирования возможно получение более контрастного изображения, что позволяет уточнить рельеф образца и отделить исходный материал подложки от поверхности напыления. При осаждении паров, образующихся над поверностью стеклоуглерода в процессе воздействия лазерного излучения (мощность 46,5 Вт, время облучения 30 с и зазор между образцом и подложкой 0,5 мм), удалось зафиксировать на поверхности равномерное распределение напыления в виде отдельно стоящих конусов со средней высотой 40 нм и основанием 300 мкм (см. рис.15).
Были проведены эксперименты при том же значении мощности с зазорами от 0,8 мм до 1,5 мм. Существенных изменений Рис.15. Структура паров стеклоуглерода.
рельефа обнаружить не удалось.
осажденных на холодной подложке в воздухе: а) При дальнейшем увеличении расраспределение латеральных сил; б) 3D рельеф стояния наблюдалось значиувеличенной области, представленной на рис. 2а.
тельное разрежение полученных структур, вплоть до полного отсутствия напыления при расстоянии мм. При аналогичных условиях воздействия на поверхность спектрально чистого графита марки ЭГ-2А, для величины зазора 1,мм на поверхности холодной подложки удалось выделить образование конгломерата упорядоченных структур, стремящихся образовать замкнутые формы Рис.16. Структура паров спектрально чистого эллиптического вида с диаметром графита марки ЭГ-2А, осажденных на холодной подложке: а)2D рельеф поверхности;б)3D рельеф от 3 до 5 мкм и высотой стенок увеличенной области, представленной на рис. 3а.
(см. рис.16б) около 35 нм. С увеличением расстояния наблюдалось сначала искажение формы напыления со значительным уменьшением доли замкнутых объектов, а потом образование равномерного напыления на подложке. При удалении на расстояние больше 2,5 мм напыление не было замечено.
В процессе осаждения паров углерода, образующихся над областью воздейстия Рис.17. Структура паров пирографита, лазерного излучения на осажденных на холодной подложке в воздухе: а) поверхности пиро-графита, 2D рельеф поверхности; б) 3D рельеф увеличенной области, предстваленной на рис. 4а.
наблюдались образования коль цевых структур на поверхности подложки. Наиболее ярко данные образования зафиксированы на расстоянии 0,8 мм подложки от материала (см. рис.17).
Внутри кольцевых структур большого диаметра 3-6 мкм, обнаруживаются образования наноконусов с высотой близкой к высоте стенок кольцевых образований. Внутри колец меньшего диаметра дополнительных образований не наблюдалось. Высота стенок явным образом зависит от диаметра структуры и изменяется в среднем от 20 до 90 мкм. Такое поведение напыления позволяет предположить, что структура напыления повторяет доменную структуру поверхности пирографита, таким образом поток частиц с поверхности на небольших расстояниях стратифицирован. Данное предположение подтверждается опытным путем, на расстояниях более 1,5 мм замкнутые структуры не наблюдаются: с величины зазора 2 мм фиксируется равномерное распределение напыления. Для подтверждения данной гипотезы были проведены опыты по напылению паров пироуглерода на холодной подложку при расположении ее на поверхности образца. В связи с тем, что в режиме свободной генерации лазерное излучение нагревало подложку до ее разрушения, в данных опытах использовался YAG:Nd-лазер с модуляцией добротности и длительностью импульса порядка 1нс, средней мощностью 20 Вт и пятном на образце порядка 50 мкм.
Обнаружено, что при контактном напылении, структура напыления хорошо повторяет форму поверхности образца (см. рис.18).
Рис.18. а) изображения каверн на поверхности пирографита в виде концентрических колец с оптическим увеличением 15; б) изображение структуры осаждения паров пирографита на холодной подложке с оптическим увеличением 30; в) изображения каверн на поверхности пирографита в виде решетки с оптическим увеличением 30; г) изображение структуры осаждения паров пирографита на холодной подложке с оптическим увеличением 30; д) АСМ изображение поверхности пирографита;
е) АСМ изображение структуры напыления.
Глава 5 посвящена изучению лазерно-индуцированных гидродинамических процессов на поверхности расплавов металлов и сплавов. В ней рассматриваются нелинейные колебания и волны, возбуждаемые лазерным излучением в расплавах в области лазерного воздействия в условиях, характерных для современных лазерных технологических процессов обработки материалов. Основной акцент сделан на изучение перехода гидродинамических процессов в турбулентный режим. Изучена многовихревая конвекция в ванне расплава металла. Разработанная теоретическая модель многовихревого течения, индуцированного лазерным излучением, является переходным этапом при развитии неустойчивостей жидкости и переходу к турбулентному режиму.
Развитие гидродинамических процессов при определенных условиях позволяет развиться в ванне стохастическим автоколебаниям, как правило, в гидродинамическом эксперименте в данном случае будет наблюдаться режим перемежаемости, то есть такой процесс, при котором квазипериодическое движение сменяется стохастическим. Описание такого процесса возможно с использованием нелинейных динамических систем, особенностью которых является наличие существенной зависимости поведения системы от начальных условий.
В данной главе на примере лазерно-индуцированной термокапиллярной неустойчивости рассмотрены особенности процессов тепло- и массопереноса, приводящие к многовихревой конвекции при формировании лазерной каверны.
Отмечены характерные особенности гидродинамических процессов внутри каверны в зависимости от мощности локального нагрева поверхности жидкости и размеров каверны. Рассмотрены механизмы формирования стохастического автоколебательного режима гидродинамических течений и сформулированы основные принципы, позволяющие качественно и количественно описывать свойства данных процессов.
Экспериментально при лазерной резке, сварке металлов и в других лазерных технологических процессах было обнаружено, что на обрабатываемой поверхности остаются застывшие регулярные волновые и нерегулярные структуры, пространственный период которых составляет порядка 0,01 - 0,1 мм [11]. Естественно предположить, что эти волновые структуры образуются при кристаллизации поверхности расплава, по которой распространяются волны, возбуждаемые при лазерном воздействии. Такие волны в жидкости известны как капиллярные. Условия их генерации, распространения и основные характеристики изучены достаточно подробно. Однако количество экспериментальных работ, в которых были предприняты попытки наблюдения в реальном времени волн, возникающих под действием лазерного излучения на поверхности жидкого металла, сравнительно невелико. Основными причинами, затрудняющими исследования такого рода, являются малый масштаб области воздействия и высокая температура внутри нее, а главное, наличие яркого экранирующего плазменно-эрозионного факела над изучаемой зоной, который усложняет ее визуальный контроль. Во многих случаях изображение области лазерного воздействия представляет собой сложное распределение участков различных градаций яркости, формы и оттенки которых меняются во времени.
В частности, так выглядит оптическое изображение области развития гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением в расплаве металла в режимах характерных для определенных лазерных технологических процессов. В связи с этим представляет несомненный интерес применение статистических методов обработки оптических изображений для идентификации режимов развития лазерно-индуцированных неустойчивостей на поверхности вещества.
Рис.19. Изображение поверхности в моменты времени t от начала действия лазерного импульса мощностью 20 Вт: a) t = 0.67 мс ламинарное течение; б) t = 1,34 мс выплеск расплава под действием а) б) в) паров отдачи; в) t = 2,68 мс расширение турбулентной зоны.
Рис.20. Изображение поверхности в моменты времени t от начала действия лазерного импульса мощностью 60 Вт: a) t = 0.67 мс ламинарное течение; б) t = 1,34 мс a) б) в) выплеск расплава под действием паров отдачи; в) t = 2,68 мс расширение турбулентной зоны.
На рис.19,20 показаны оптические изображения области лазерного воздействия на поверхности металла, полученные при помощи описанной выше экспериментальной установки. В процессе воздействия одного лазерного импульса длительностью = 1,5 мс характер оптического изображения меняется от регулярного в начале воздействия до хаотического и волновых структур. Первый кадр (рис.19a,20a) соответствует ламинарному течению расплава, на втором кадре (рис.19б,20б) можно видеть характерное изображение поверхности в момент выплеска под действием давления паров отдачи при кипении жидкости. Отчетливо виден выплеск жидкости, в виде турбулентного течения кольцевой формы (отмечено стрелкой), третий кадр (рис.19в,20в) - расширение области турбулентного течения при движении расплава по инерции после прекращения кипения и исчезновения давления паров. Скорость движения границы расплава при ламинарном течении до момента выплеска жидкости (рис.19a) определена по смещению границы за время между кадрами. Оценка показывает, что до момента времени порядка < 0,7 мс эта скорость имеет порядок скорости распространения тепловой волны.
Следующие кадры (рис.21) показывают формирование волн на формирование волн на границе кристаллизации металла после окончания действия лазерного импульса.
На рис.22 показаны графики распределения энергии по пространственным частотам для гидродина a) б) мического процесса в области лазерного Рис.21. Волны на поверхности воздействия при различных значениях металла: a) свинец;б) титан плотности мощности излучения. Зависи- мости получены при обработке оптических изображений соответствующих турбулентному режиму течения (см. рис.19в, 20в). Расчет энергии, приходящийся на соответствующий пространственный масштаб, проводился с использованием двумерного преобразования Фурье. Пульсации нормальной скорости соответствует разность яркости двух точек изображения, лежащих на расстоянии l друг от друга. Коэффициенты двумерного разложения в ряд Фурье рассчитывались для всех точек изображения для различных. Искомая величина l энергии определяется как fl 2, где fl - Фурье-образ функции распределения пульсации яркости точек изображения.
На графиках (рис.22) можно выделить линейный участок убывания, наклон которого соответствует степени x = 1,43 в законе распределения энергии пульсации скорости по пространственным масштабам -1,E( k ) = C1 * k Рис.22. Распределение энергии по Рис.23. Распределение энергии по пространпространственным масштабам в ственным масштабам в двойном логарифмидвойном логарифмическом масштабе, ческом масштабе, рассчитанное для изобрарассчитанное для изображения, жения, соответствующего маломодовому ресоответствующего турбулентному жиму хаотических гидродинамических коледвижению расплава по инерции (см. баний расплава.
рис. 2.2c, 2.3с): квадратные маркеры - 20 Вт; круглые маркеры - 60 Вт.
Средний радиус области, занимаемой расплавом (лазерной каверны) r = 0,3 мм, определяет внешний масштаб турбулентности lmin = 0,005 мм, что соответствует минимальному расстоянию между градациями яркости оптического изображения. Уменьшение плотности мощности приводит к смене гидродинамического режима, спектр пространственных частот практически не содержит линейного участка (см. рис 23), что можно рассматривать как переход от развитой турбулентности к маломодовому режиму хаотических гидродинамических колебаний.
Для определения информационной сложности изображений использовались метрические фрактальные размерности, принятые в теории аттракторов, и рассчитывалась энтропия по Шеннону N = pi ln( pi ), N i=где pi - вероятность попадания точки изображения в соответствующую градацию яркости.
Основные используемые в диссертации числовые показатели для распознавания оптических динамических изображений поверхности образцов, модифицируемой под воздействием лазерного излучения: DH - размерность Хаусдорфа ЦБезиковича, Dlx,ly - локальные размерности подобия проекций изображений на оси x, у соответственно, i - информационная энтропия, t - топологическая энтропия.
На основе расчета DH и были получены характерные параметры Dlx,ly, i, которые вместе с t, рассматривались как критерии степени порядка наблюдаемых оптических изображений области лазерного воздействия на образец при развитии в ней гидродинамических процессов.
В таблице 2 приведены данные для этих параметров, полученные при обработке изображений облучаемой поверхности в различные моменты времени, соответствующие различным режимам гидродинамических явлений.
Таблица Характерные Мощность 20 Вт Мощность 60 Вт параметры Волны на Турбулентное Волны на Турбулентное поверхности течение поверхности течение Dlx 1,91 2,23 2,01 2,0,26 0,47 0,29 0,i 0,92 1,10 0,93 1,t Из таблицы видно, что изображение без особенностей, в нашем случае это волны на поверхности расплава вещества, величина Dlx близка к 2. Если оптическое изображение соответствует турбулентному течению, становится хаотическим, то размерность Dlx скачком возрастает, причем при увеличении плотности мощности амплитуда скачка увеличивается. Аналогичное изменение испытывают величины информационной и топологической энтропии, то есть данные параметры характеризуют степень хаотизации оптического изображения, а значит и течения, которое ему соответствует.
Анализ низкочастотной части спектра (частота < 1000Гц ) наблюдаемых гидродинамических процессов, индуцированных лазерным излучением, был проведен на основе метода восстановления фазового портрета динамической системы по одномерной реализации (зависимости яркости в центре изображения от времени).
Выбрав режим лазерного воздействия таким, что число Рейнольдса незначительно превышает некоторое критическое значение и не происходит выплеска расплава, можно добиться развития в ванне расплава маломодового хаотического режима движения. Для анализа поведения пространственных мод (одновихревая, двухвихревая конвекция и т.д.) воспользовались теоремой Такенса [12], позволяющей ограничиться анализом временной зависимости амплитуды только одной из мод.
Для целей настоящей работы в установку была введена система регистрации яркости в некоторой малой области изображения, размер которой определяет диафрагма. Далее регистрируемая временная зависимость J(t) (рис.24) оцифровывается и вводится в компьютер для последующей обработки. На рис.24 приведены зависимости для яркости изображения J(t), которая испытывает достаточно сильные выбросы и имеет характер нерегулярных колебаний.
а) б) Рис.24 Зависимость яркости в центре изображения от времени: а) сталь; б) свинец.
Анализ полученных временных зависимостей производился с использованием амплитудно-частотного анализа (Фурье-анализа). Был проведен детальный анализ низкочастотной части спектра с целью выявления сценария развития хаотических гидродинамических колебаний в ванне расплава в зависимости от мощности падающего излучения (рис.25). При средней мощности 20 Вт в спектре можно выделить, такие субгармоники частоты f = 30 Гц (рис.25а), как f f f,, 3 6 12, с увеличением мощности до 30 Вт, спектр обогащается и в нем можно выделить несколько субграмонических каскадов частот, один их которых для частоты f = 24 Гц представлен на рис.25б. В фурье - спектрах временных зависимостей яркости отраженного излучения для процесса плавления стали наблюдается не только увеличение количества бифуркаций с увеличением мощности, но и появление новых колебаний, испытывающих, в свою очередь, удвоение периода.
а) б) Рис.25. Спектры мощности временной зависимости яркости отраженного излучения от поверхности свинца в момент времени t после начала воздействия: а) средняя мощность падающего излучения 20 Вт t = 8 c; б) средняя мощность падающего излучения 30 Вт t = 8 c;
В обоих случаях при увеличении мощности падающего излучения явно удается выделить пьедестал в области частот до 5 Гц. Вид спектров является характерным для субгармонического каскада частот, что подтверждает приведенную ранее гипотезу о развитии в расплаве многовихревого движения и хаотической смене режимов течения от одновихревого к многовихревому и обратно в течение всего времени воздействия. Для качественной оценки хаотизации гидродинамических колебаний использовались методы реконструкции динамической системы по одномерной реализации.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Основные результаты и выводы по работе 1. Разработан метод непосредственной визуализации в реальном масштабе времени области лазерного воздействия на поверхность различных веществ, экранированной от прямого наблюдения плазменно-эррозионным факелом, возникающим над облучаемой поверхностью образца, с использованием лазерного проекционного микроскопа с автоматизированной компьютерной обработкой регистрируемых динамических оптических изображений в схеме эксперимента, использующей излучение мощного твердотельного лазера (YAG:Nd3+, =1,06 мкм) в качестве излучения накачки (с плотностью мощности на образце до 107 Вт/см2 в режиме свободной генерации) и слабого зондирующего пучка лазера на парах меди (=0,51 мкм), который одновременно используется как усилитель яркости при регистрации динамических оптических изображений (с временным шагом разрешения в 2 нс с помощью быстродействующей цифровой камеры). Показана возможность управления индуцируемыми лазерными и лазерно-информационными технологическими и плазменными процессами при помощи данного метода. Получены экспериментальные и теоретические распределения толщины модифицированного лазерным излучением поверхностного слоя образцов в зависимости от времени непосредственно во время облучения для ряда материалов (металлы, сплавы, тонкие пленки и др.).
Реализован процесс сварки оптических световодов дуговым разрядом при визуализации во времени процесса сварки с помощью лазерного усилителя яркости.
2. Экспериментально при помощи лазерного усилителя яркости оптических динамических изображений выполнены измерения в реальном масштабе времени гидродинамических процессов, происходящих при плавлении углеродосодержащих материалов (графит, стеклоуглерод) под действием мощного лазерного излучения. Обнаружено образование жидкой фазы графита и стеклоуглерода при внешнем атмосферном давлении в 1 атм. и температуре порядка 4000 К с помощью регистрации в реальном масштабе времени течения жидкого углерода и образования волн на поверхности образца в области лазерного воздействия. Данные результаты позволяют уточнить фазовую диаграмму углерода вблизи тройной точки. Прямые наблюдения течения жидкого углерода подтверждены последующими исследованиями лазерной каверны на поверхности графита и стеклоуглерода после лазерного воздействия методами комбинационного рассеяния, атомно-силовой и электронной микроскопии.
3. Разработана методика получения наноструктур (размером порядка нм) на поверхности углеродосодержащих материалов (графит, стеклоуглерод) под действием лазерного излучения в процессе плавления вещества. Обнаружены зависимости морфологических свойств генерируемых микро- и наноструктур не от параметров лазерного пучка. Показано, что механизмы их образования имеют различную природу. Образование квазидоменов и микропор происходит при кристаллизации жидкой фазы углерода. Образование нанопиков за пределами области лазерного воздействия на образец обусловлено обратным осаждением паров углерода (кластеров) из плазменно-эрозионного факела.
Предложен метод управления топологией образующихся наноструктур в зависимости от параметров лазерного пучка накачки и условий эксперимента.
4. Изучено формирование субмикронных и наноструктур при осаждении продуктов лазерной абляции углеродосодержащих материалов на поверхность холодной подложки (в слоистой системе: прозрачная среда (подложка), слой воздуха, поглощающая среда (графит, стеклоуглерод)). Разработан новый метод получения упорядоченных наноструктур, при котором наноструктуры с поверхности облучаемого образца переносятся (копируются) на холодную подложку. В такой схеме лазерной фотолитографии выявлены закономерности изменения морфологических свойств получаемых наноструктур в зависимости от зазора между подложкой и образцом. Определены изменения свойств наноструктур и их характерной формы в зависимости от параметров лазерного пучка и от выбранного материала.
5. Зарегистрированы в реальном масштабе времени при помощи лазерного усилителя яркости и классифицированы в численных параметрах динамические оптические изображения области лазерного воздействия на вещество на различных этапах развития нелинейных волновых процессов, протекающих на поверхности образца под действием лазерного излучения (ламинарное течение, турбулентные потоки, испарение вещества с поверхности расплава). Определены диапазоны изменений численных значений этих параметров для данных режимов, которые выступают в качестве характеристических показателей этапов развития нелинейных динамических процессов. Для оптических изображений области лазерного воздействия в режиме выплеска расплава получен спектр пространственных частот, имеющий линейный участок. Рассчитаны характерные параметры, определяющие степень хаотизации оптических изображений области лазерного воздействия. Показана зависимость этих параметров от плотности мощности падающего излучения и состояния поверхности - пространственного масштаба поверхностных возмущений. Обнаружен хаотический характер низкочастотных гидродинамических колебаний, индуцированных лазерным излучением. Показано, что в спектре этих колебаний наблюдается субгармонический каскад удвоения периода колебаний.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах*):
1. Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Прокошев В.Г., Трубицын С.Ф., Аракелян С.М. Визуализация процесса сварки оптических волокон при помощи лазерного усилителя яркости. // Письма в ЖТФ. - 1996. - Т.22. - №17. - С. 6-10.
_______________________________________________ *) Реферируемые научные журналы из перечня ВАК, в которых опубликованы результаты диссертации, выделены жирным шрифтом 2. Аракелян С.М., Прокошев В.Г., Орлов В.Н., Сатов В.А., Алавердян Р.Б., Дрноян В.Э. Принцип оптической обработки информации на основе светоиндуцированных решеток анизотропии. // Изв. ВУЗов. Приборостроение, 1996. - Т. 36. - № 2. - С. 7-12.
3. Davidov N.N., Suchkova L.T., Rufitskii M.V., Kudaev S.V., Galkin A.F., Orlov V.N., Prokoshev V.G. Research of phisycal-chemical processes in optically transparent materials during colouring points formation by volumetric - graphical laser processing. // Proceedings of 5th International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications`95. - SPIE. - 1996. - Shatura, Moscow Region, Russia.
4. Prokoshev V.G., Galkin A.F., Klimovsky I.I., Abramov D.V., Arakelian S.M. Nonstationary laser thermochemical processes on surface of metals and their visualization by means of laser brightness amplifier. // Proceedings of the International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE'97. - 1997. - Erlangen, Germany. - P. 297-35. Abramov D.V., Denisenko V.I., Prokoshev V.G. Dynamical processes under laser strengthening of coating. // Proceedings of the International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE'97. - 1997. - Erlangen, Germany. - P.
687-692.
6. Prokoshev V.G., Klimovsky I.I., Galkin A.F., Abramov D.V., Arakelian S.M. Visualization of the laser treatment processes of materials by the brightness amplifier on basis of the copper laser. // SPIE. - 1997. - V. 3091. - P. 29-33.
7. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Галкин А.Ф., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Визуализация процессов лазерной обработки материалов при помощи усилителя яркости на основе лазера на парах меди. // Известия РАН. Сер. Физ.
- 1997. - № 8. - С. 1560-1564.
8. Prokoshev V.G., Klimovsky I.I., Galkin A.F., Orlov V.N., Abramov D.V., Taranenko M.A., Danilov S.U., Arakelian S.M. Experimental study of laser-induced hydrodinamical and thermochemical processes by means of laser brightness amplifier. // Proc. SPIE. - 1998. - V. 3403. - P. 270-275.
9. Прокошев В.Г., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Данилов С.Ю., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости. // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25. - № 4. - С. 337-340.
10. Денисенко В.И., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Аракелян С.М. Динамические процессы при лазерном упрочнении покрытий из хрома. // Теплофизика высоких температур (ТВТ). - 1998. - Т. 36. - № 4. - С. 674-684.
11. Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Данилов С.Ю., Аракелян С.М. Лазерная диагностическая система для мониторинга биологических процессов в реальном времени. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000 г. - № 6.ЦС. 11-15.
12. Prokoshev V.G., Parfionov S.D., Obgadze T.A. Mathematical modelling of the temperature fields induced under the laser processing material. // International conference on laser assisted net shape engineering LANEТ2001. - Erlangen, Germany, 28-31.08.2001. - P. 185-190.
13. Prokoshev V.G., Kucherik Al.O., Arakelian S.M. Fractal optical images under the laser action on the substance surface. // International conference on laser assisted net shape engineering LANEТ2001. - Erlangen, Germany, 2001. - P. 717722.
14. Prokoshev V.G., Abramov D.V., Danilov S.Yu., Kucherik A.O., Arakelian S.M. Laser diagnostic of spatial-time hydrodynamic instabilities on melted metal surface. // SPIE. - 2001. - V. 4429. - P. 96-100.
15. Galkin A.F., Abramov D.V., Savina L.D., Fedotova O.Yu., Prokoshev V.G., Arakelian S.M. Laser-induced hydrodynamics waves on the surface of melt. // SPIE. - 2001. - V. 4429. - P. 101-104.
16. Prokoshev V.G., Abramov D.V., Danilov S.U., Shishin S.I., Chizhov A.V., Arakelian S.M. Real time diagnostics of the laser-induced thermochemical processes and nonlinear images on the surface of materials: experiment and mathematical modeling. // Laser Physics. - 2001. - V. 11. - № 11. - P. 1167.
17. Prokoshev V.G., Galkin A.F., Klimovsky I.I., Abramov D.V., Danilov S.Yu., Kucherik A.O., Arakelian S.M. Diagnostic system on basis of laser brightness amplifier for monitoring and controlling the laser technological processes. // SPIE. - 2002. - V. 4644. - P. 168-175.
18. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Пространственные и динамические свойства гидродинамических неустойчивостей, индуцированных мощным лазерным излучением на поверхности вещества. // В сб.: Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. - 2002. - Вып. 4. / Под ред. В.Е.Фортова. - С. 185190.
19. Донец М.В., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Нелинейный анализ сигналов лазерного доплеровского анализатора микроциркуляции крови. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. - № 1/2. - С. 113-116.
20. Донец М.В., Кучерик А.О., Сорокин С.А., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Математическая модель формирования сигнала лазерного анализатора капиллярного кровотока. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника.
- 2004. - № 3. - С. 51-54.
21. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Гамыгин К.А., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Временная эволюция поверхности графита под действием сконцентрированного лазерного излучения. // В сб.: Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. - 2003. - Вып. 6. / Под ред. В.Е.Фортова и А.П.Лихачева. - М.: ОИВТ РАН. 2004. - С. 193-198.
22. Багаев С.Н., Прокошев В.Г., Кучерик А.О., Аракелян С.М., Климовский И.И. Гидродинамика расплава поверхности металла при лазерном воздей ствии; наблюдение смены режимов в реальном времени. // ДАН. - 2004. - T.
395. - № 2. - С. 183-186.
23. Kucherik A.O., Gerke M.N., Fatkulin E.R., Prokoshev V.G., Arakelian S.
M. The use of scanning probe microscopy for diagnostics of the laser-induced instabilities. // Laser Physics. - 2005. - V. 15. - № 7. - P. 1071-1074.
24. Abramov D.V., Arakelian S.M., Galkin A.F., Klimovsky I.I., Kucherik A.O., Prokoshev V.G. A Laser-induced process on the surface of a substance and their laser diagnostics in real time // Laser Physics. - 2005. - V. 15. - №. 9. - P. 1313-1318.
25. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Визуализация и восстановление рельефа области лазерного воздействия на поверхность графита. // Известия РАН. Сер.Физ. - 2006. - Т. 70. Ц№ 3.
- С. 422-425.
26. Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кучерик А.О. Гидродинамические неустойчивости и волны, индуцированные импульсно-периодическим лазерным излучением на поверхности вещества. // Известия РАН, сер.Физ. - 2006. - Т. 70. - № 3. - С. 354-360.
27. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Лазерная диагностика эволюции поверхности углерода под воздействием мощных лазерных импульсов. // ПТЭ. - 2006. - Т. 2. - С. 137-143.
28. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Квачева Л.Д., Климовский И.И., Кононов М.А., Михалицын Л.А., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Савранский В.В. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К. // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 84. - № 5. - С. 315-319.
29. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. О возможности исследования временной эволюции рельефа поверхностей, подвергающихся воздействию мощных потоков энергии, непосредственно во время воздействия. // Квантовая электроника. - 2006.
- Т. 36. - № 6. - С.569-575.
30. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кононов М.А., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Савранский В.В. Способ и результаты восстановления рельефа поверхности, эволюционирующей под действием лазерного излучения. // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т. 19. - № 2-3. - С.206-209.
31. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Структурные изменения графита в области лазерного нагрева, как следствие фазового перехода графит-карбин. // Краткие сообщения по физике. - 2006. - № 10.
32. Абрамов Д.В., Алоджанц А.П., Аракелян С.М., Кучерик А.О., Лексин А.Ю., Прокошев В.Г., Прохоров А.В. Новые фундаментальные связанные состояния лазерного излучения в твердом теле: физические принципы квантовых вычислений и динамические нелинейные образы. // Известия международной академии наук высшей школы. - 2007. - № 2 (40). - С. 128-137.
33. Аракелян С.М., Морозов В.В., Прокошев В.Г., Югов В.И. Разработка основ новых промышленно-ориентированных технологий управляемого получения материалов с заданными физическими свойствами широкого назначения.
//Известия международной академии наук высшей школы. - 2007. - № (40). - С. 138-148.
34. Gerke M.N., Kutrovskaya S.V., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Arakelian S.M. Nanostructuriztion of the carbon material surface at laser action.
//Proceedings of Conference LANE-2007. - V. 2. - 25-28 September, Erlangen, Germany. - P. 1177-1185.
35. Abramov D.V., Kutrovskaya S.V., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Arakelian S.M. Formation of nanoscale structures on a surface of a cold substrate at laser action on different materials in ambient conditions. // Proceedings of Conference LANE-2007. - V. 2. - 25-28 September, Erlangen, Germany. - P. 911-920.
36. Abramov D.V., Arakelian S.M., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Tarasov R.E. Reconstruction and analysis of surface micro-relief of laser action area. // Proceedings of Conference LANE-2007. - V. 2. - 25-28 September, Erlangen, Germany. - P. 921- 928.
37. Abramov D.V., Arakelyan S.M., Calkin A.F., Kvacheva L.D., Klimovsky I.I., Kononov M.A., Mikhalitsyn L.A., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Savranskii V.V. Laser diagnostics of hydrodynamic processes and spatio-temporal instabilities on the substance surface. // SPIE. - 2007.
38. Abramov D.V., Arakelian S.M., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Tarasov R.E. Reconstruction and analysis of surface micro-relief of laser action area. // SPIE.
- 2007. - V. 6732, 67320A.
39. Kutrovskaya S.V., Kucherik A.O., Prokoshev V.G., Arakelian S.M. Generation of nanostructures on a surface of a cold substrate at laser action on carbon materials in atmospheric air. // SPIE. - V. 6732, 67320A.
40. Абрамов Д.В., Герке М.Н., Кучерик А.О., Кутровская С.В., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Образование наноструктур на поверхности стеклоуглерода при лазерном воздействии. // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - № 11.
- С. 1051-1055.
41. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Реконструкция рельефа поверхности области лазерного воздействия на основе обработки оптических изображений полученных при помощи лазерного монитора. // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74. - № 8. - С. 73-77.
42. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Наноструктуры на поверхности графитовых образцов в поле лазерного излучения. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 4. - С. 3940.
43. Герке М.Н., Кутровская С.В., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Аракелян С.М. Формирование углеродных субмикронных и наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии лазерного излучения на поверх ность углеродосодержащих материалов в атмосферном воздухе. // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 37. - № 1. - С. 73-76.
Патенты 1. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. Способ контроля соосности волоконных световодов.
// Патент РФ на изобретение № 96122044 зарегистрирован 20.01.1999 г.
2. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. Лазерный проекционный микроскоп. // Патент РФ на изобретение № 96122043 зарегистрирован 20.01.1999 г.
3. Прокошев В.Г., Столбов М.С., Аракелян С.М. Способ лазерной маркировки. // Патент РФ на изобретение № 98105810 зарегистрирован 20.12.1999 г.
4. Давыдов Н.Н., Кудаев С.В., Прокошев В.Г. Способ цветной художественно-графической отделки поверхности стеклоизделий. // Патент на изобретение № 98105811 зарегистрирован 27.12.1999 г.
5. Батенин В.М., Климовский И.И., Калинин С.В., Галкин А.Ф., Данилов С.Ю., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Лазерный проекционный микроскоп. // Патент РФ на изобретение № 9810644510 зарегистрирован 27.02.2000 г.
6. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Тараненко М.А., Аракелян С.М. Микроскоп с усилителем яркости. // Патент РФ на изобретение № 98111965 зарегистрирован 10.03.2000 г.
Цитируемая в тексте автореферата литература 1. Земсков К.И., Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Исследование основных характеристик лазерного проекционного микроскопа. // Квантовая электроника. - 1976. - Т. 3. - № 1. - С. 35-43.
2. Кузнецова Т.И. Распространение светового сигнала с псевдослучайной пространственной модуляцией через усиливающую среду // Квантовая электроника. - 1980. - Т. 7. - № 6. - С. 1257-1263.
3. Кузнецова Т.И., Кузнецов Д.Ю. Взаимодействие пространственномодулированной волны сплошной структуры с плоской волной в квантовом усилителе // Квантовая электроника. - 1981. - Т. 8. - № 8. - С. 1808-1815.
4. Алимов Д.Т., Атабаев Ш., Бункин Ф.В. и др. Термохимические неустойчивости в гетерогенных процессах, стимулированных лазерным излучением. // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1982. - № 8. - С. 12-21.
5. Асиновский Э.И., Асиновский С.Э., Бородина Т.И., Кириллин А.В., Костановский А.В. Карбин на фазовой диаграмме углерода. // Препринт ОИВТ РАН. - 2000. - № 1. - С. 449.
6. Климовский И.И., Марковец В.В. // Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. - 2003. - Выпуск 6, 2003 / Под ред. В.Е. Фортова и А.П. Лихачева. - М.: ОИВТ РАН. 2004. С. 73-80.
7. Whittaker A. G. The controversial carbon solidЦliquidЦvapour triple point // Nature. - 1978. - V. 276. - № 5689. - P. 695 - 696.
8. Bundy F.P., Basset W.A.., Weathers M.S., Hemley R.J., Mao H.K., Goncharov A.F. // Carbon. - 1996. - V. 34. - № 2. - P. 141-153.
9. Whittaker A.G., Kintner P.L. Carbon: analysis of spherules and splats formed from the liquid state and of the forms produced by qumching gas and solid // Carbon. - 1985. - V. 23. - № 3. - P. 255-262.
10. Асиновский Э.И., Батенин В.М., Климовский И.И., Марковец В.В. Исследование областей замыкания тока на электродах слаботочной угольной дуги атмосферного давления с помощью лазерного монитора. // ТВТ. - 2001. - Т. 39.
- № 5. - С. 794 - 809.
11. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов М.: Машиностроение, 1975 г.
12. Рюэль Д., Такенс Ф. О природе турбулентности В кн.: Странные аттракторы. М.: Мир, 1981 - С. 117-151.