Селективное испарение при лазерной абляции многокомпонентных сплавов в воздухе

Российская академия наук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт общей физики им. А.М. Прохорова

Научный центр волновых исследований (филиал)

На правах рукописи

Леднев Василий Николаевич

Селективное испарение при лазерной абляции многокомпонентных сплавов в воздухе

Специальность 01.04.21

Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2013

Работа выполнена в Научном центре волновых исследований (филиал) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., Першин Сергей Михайлович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., Гордиенко Вячеслав Михайлович, профессор, заведующий Лабораторией нелинейной оптики им. Р.В. Хохлова Кафедры общей физики и волновых процессов Физического факультета

Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

к.ф.-м.н., Чернега Николай Владимирович, старший научный сотрудник, заведующий Лабораторией когерентной оптики

Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук

Защита состоится "___" ____________ 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-002.063.01 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук.

Автореферат разослан "___" _________________ 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-002.063.01

доктор физико-математических наук В.М. Кузькин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Использование лазерного излучения для создания низкотемпературной плазмы с целью анализа вещества, обработки изделий и создания новых материалов началось практически с момента создания лазеров в 1961 г. Возможность применения мощного лазерного излучения для испарения материалов любой твердости и состава с одновременной генерацией возбужденных состояний атомов и ионов различной кратности зарядов в лазерной плазме открывало новые перспективные направления [i,ii]. В этих процессах метод эмиссионной спектроскопии лазерной плазмы используется как уникальный инструмент изучения физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. С другой стороны, спектроскопия плазмы представляет самостоятельный научный интерес для качественного и количественного анализа состава изучаемых объектов в реальном времени. Способность лазеров транспортировать и концентрировать энергию на удаленных объектах до величин, превышающих порог образования плазмы, обеспечило стремительное развитие дистанционного анализа.

Применение лазерного излучения для количественного анализа состава мишени по эмиссионному спектру лазерной плазмы (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) допускает изучение образцов с любым набором элементов периодической таблицы с пределом обнаружения до 10–4 мкг/г (в ряде случаев до 10-6 мкг/г) в зависимости от условий проведения эксперимента и состава мишени [iii]. Например, в 1987 г. был предложен двухимпульсный способ возбуждения плазмы при воздействии сдвоенных лазерных импульсов (с интервалом между импульсами 10-30 мкс) [iv], который позволил более чем на порядок повысить контраст линий спектра плазмы и тем самым улучшить предел обнаружения примесей. Впоследствии был предложен физический механизм взаимодействия последовательных импульсов лазера с мишенью в атмосфере воздуха [v]. Позднее этот режим был успешно применен для существенного повышения выхода рентгеновского излучения плазмы, индуцируемой сдвоенными фемтосекундными импульсами [vi]. В методах лазерной обработки материалов было показано, что использование сдвоенных импульсов позволяет значительно увеличить скорость абляции [vii,viii].

Высокая чувствительность и экспрессность лазерно-плазменных анализаторов обеспечила им широкое применение и вне лаборатории. Так, дистанционную версию лазерного анализатора впервые включили в состав космического аппарата «Фобос-88» для изотопного анализа поверхности на пролетной траектории на высоте до 100 м над спутником Марса. В 2012 году в миссии “Curiosity” НАСА (США) с помощью прибора ChemCam была исследована поверхность Марса и были получены спектры свечения лазерной плазмы для анализа состава породы с расстояния нескольких метров [ix].

В то же время прямой количественный анализ по спектру свечения плазмы невозможен для ряда образцов из-за нарушения соотношения элементов в плазме и в исходной мишени. Этот фактор исключал проведение количественного анализа в реальных условиях без использования образцов сравнения. Актуальность решения этой задачи была выявлена в первых экспериментах по спектроскопии лазерной плазмы [x] и оставалась открытой до настоящего времени.

Одним из важных приложений лазерной абляции является импульсное лазерное напыление тонких пленок в вакууме [xi,xii]. При этом соотношение компонентов в получаемом покрытии было близким к составу мишени (сверхпроводники, бронзы, и т.д.) [xiii]. Напротив, в работе Дианова Е. М. и др. [xiv] по получению чистого кварца методом лазерной абляции кварцевого волокна в воздухе с помощью непрерывного CO2 лазера было установлено, что данный процесс сопровождался селективным испарением оксида кремния и накоплением тугоплавких оксидов в зоне расплава. Однако было неясно, как селективность испарения проявится в условиях нестационарной абляции мишени лазерными импульсами.

Сравнительно недавно [xv] было предложено добавить механизм селективного испарения для описания процесса взаимодействия лазерных импульсов с поверхностью. На примере образца бронзы, лазерная абляция которого отличается высокой степенью проявления селективного испарения, был разработан феноменологический подход для коррекции спектра плазмы. Полученные результаты убедительно подтвердили перспективность предложенного подхода. Однако оставалось неясным, является ли этот механизм универсальным и применимым к другим широко распространенным гомогенным сплавам на основе железа (черные сплавы и легированные нержавеющие стали) и алюминия (дюрали и пр.).

Кроме того, детальное изучение влияния пространственных и временных параметров лазерного излучения (одно-многомодовый профиль интенсивности пучка и длительности импульсов) на точность и чувствительность анализа в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы проведено не было, несмотря на заметный (более чем на порядок) выигрыш по энергии в многомодовом пучке при одинаковой энергии накачки лазера.

Таким образом, изучение явления селективного испарения при лазерной абляции и влияние параметров лазерного излучения на спектр лазерной плазмы является актуальным и представляет практический интерес.

Цель работы

Изучение физики селективного испарения многокомпонентной мишени при лазерной абляции в воздухе с помощью спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы при вариации пространственных и временных параметров излучения.

Научная новизна работы

1. Впервые экспериментально обосновано, что селективное испарение при лазерной абляции многокомпонентных сплавов (бронзы, дюрали, нержавеющие стали) является универсальным процессом, который приводит к нарушению пропорциональности соотношения элементов в плазме с их содержанием в мишени.

2. На основе установленных и не учитываемых ранее процессов селективного испарения при взаимодействии импульсного излучения с веществом разработан алгоритм коррекции спектров лазерной плазмы, который обеспечивает количественный анализ без стандартных образцов.

3. Выявлено кратное (до 2 раз) повышение чувствительности анализа в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы, возбуждаемой многомодовым пучком по сравнению с одномодовым при одинаковой энергии накачки лазера.

4. Обнаружено трехкратное увеличение интенсивности и контраста линий в спектре при переходе к возбуждению плазмы цугом пикосекундных импульсов вместо наносекундного импульса равной энергии.

Практическая ценность работы

Разработанный в работе алгоритм коррекции спектров плазмы при лазерной абляции в воздухе с учетом процесса селективного испарения обеспечивает экспрессный анализ объектов любого типа в любых условиях вне лаборатории. Алгоритм допускает количественное измерение состава образца за один лазерный импульс, так как не требуется предварительная градуировка по стандартным образцам, что особенно важно при определении состава подвижных мишеней (на конвейерной ленте и т.д.) или при дистанционном зондировании состава удаленных мишеней (с подвижной платформы).

Обнаружено и экспериментально исследовано влияние пространственных и временных параметров лазерного излучения на лазерную абляцию, свойства и аналитические возможности спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы при анализе примесей. Показано, что применение одномодового лазерного пучка позволяет повысить воспроизводимость спектров, в то время как предельная чувствительность анализа достигается при переходе в режим генерации многомодового пучка без увеличения энергопотребления от источника питания. Данный результат имеет большое практическое значение при разработке компактных систем анализа состава спектроскопией лазерно-индуцированной плазмы, установленных на беспилотных подвижных платформах, когда вмешательство оператора или повторное измерение в данной точке образца затруднено или исключено, например, при анализе состава породы на Марсе [9]. Для одномодового лазерного пучка применение двухимпульсного воздействия приводит не только к увеличению воспроизводимости, но и к улучшению чувствительности определения примесей до 4 раз по сравнению с многомодовым пучком. Также следует отметить, что первый импульс проводит очистку поверхности, что уменьшает влияние поверхности (шероховатости, загрязнения) на свойства плазмы и результаты количественного анализа примесей.

Напротив, в условиях ограниченного энергетического ресурса, например, в бортовой версии анализа с коротких дистанций, выгоднее использовать всю энергию лазера, накопленную в объеме активного элемента, в многомодовом режиме возбуждения плазмы.

Предложен простой и эффективный метод переключения режима работы импульсного твердотельного лазера с активным модулятором добротности Поккельса из наносекундного в режим генерации цуга пикосекундных импульсов без изменения элементов резонатора лазера. Несомненное преимущество в выигрыше массы прибора и энергопотребления позволяет существенно упростить бортовой или мобильный лазерный комплекс, что весьма важно для бортовых анализаторов со сменными режимами генерации импульсов различной длительности. Повторное открывание модулятора Поккельса за одну вспышку лампы обеспечивает генерацию второго цуга пикосекундных импульсов с управляемым интервалом задержки, что может использоваться в экспериментах "накачка-зондирование" для изучения эволюции микросекундных релаксационных процессов.

Положения, выносимые на защиту

1. Взаимодействие наносекундных лазерных импульсов с многокомпонентными сплавами (бронзы, стали, алюминиевые сплавы) с образованием плазмы сопровождается явлением селективного испарения; при этом происходит обогащение пара компонентами с меньшими значениями температуры, теплоты плавления и парообразования.

2. Предложенный и экспериментально обоснованный механизм селективного испарения обеспечивает коррекцию эмиссионного спектра лазерной плазмы для прямого количественного анализа состава мишени без использования образцов сравнения.

3. Многомодовый пучок обеспечивает снижение предела обнаружения примесей в спектроскопии лазерной плазмы по сравнению с одномодовым пучком при одинаковой энергии накачки лазера.

4. Интенсивность и контраст линий в спектре лазерной плазмы, возбуждаемой цугом пикосекундных импульсов, возрастает по сравнению с воздействием наносекундным импульсом равной энергии.

Личный вклад диссертанта

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация результатов работы

Результаты работы по теме диссертации изложены в 15 научных публикациях (из них 1 глава в монографии, 6 статей в научных рецензируемых журналах из списка ВАК и 8 тезисов конференции).

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на Международной конференции Advanced Laser Technologies, ALT-07 (Леви, Финляндия, октябрь, 2007), Международной конференции Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS - 2008 (Берлин, Германия, октябрь, 2008), Международной конференции Euro-Mediterranean Symposium on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Тиволи Терме, Италия, октябрь, 2009), Международной конференции International Conference on Lasers, Applications and Technologies (Казань, август, 2010), Международной конференции International Conference on Nonlinear Optics East -West Reunion (Суздаль, сентябрь, 2011), Euro Mediterranean Symposium on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Измир, Турция, сентябрь 2011), International Conference on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Луксор, Египет, октябрь 2012).

Публикации

Результаты, составляющие основу диссертации, представлены в 1 монографии, 6 статьях и 8 тезисах конференций, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из 4 глав, каждая из которых включает описание результатов и выводы. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 58 рисунков и 26 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 295 наименований.

КРАТКОЕ содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цели и задачи работы, а также научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и приведен список работ.

Первая глава носит обзорный характер, в ней приводится анализ современного состояния взаимодействия лазерного излучения с веществом. Проводится обзор работ по лазерной абляции и спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы. Рассматриваются экспериментальное и теоретическое исследования влияния свойств лазерного излучения на процесс лазерной абляции, свойства лазерной плазмы и анализ состава мишени в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы. Проанализированы результаты, опубликованные в научной литературе, в которых проводилось сравнение влияния параметров лазерного пучка на лазерную абляцию и на свойства лазерной плазмы в разных приложениях.

В параграфе 1.1 сформулированы основные понятия и приводятся ключевые характеристики процесса абляции и свойств лазерной плазмы.

В параграфе 1.2 рассмотрен метод спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы, представлены его возможности и перспективы для проведения анализа любого типа образцов. Представлены типичные схемы возбуждения плазмы и регистрации ее спектров. Продемонстрированы возможности метода по экспрессному многоэлементному анализу состава образцов любого типа в любых условиях и проведено сравнение с другими методами элементного анализа состава вещества.

В параграфе 1.3 проведен литературный обзор лазерных источников, применяемых в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы. Рассмотрено влияние основных параметров лазерного излучения (длина волны, длительность и т.д.) на свойства лазерной плазмы и аналитические возможности спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы. Приводится описание методик измерения и контроля основных параметров лазерного излучения, а также рассмотрены методики определения качества лазерного пучка, определяется параметр качества M2, приведен обзор литературы и классификация методов измерения параметров лазерного пучка.

Рассмотрен двухимпульсный метод спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы, обсуждается физический механизм увеличения контраста эмиссионного спектра плазмы. Приведены преимущества использования двухимпульсного метода для лазерной абляции и анализа состава мишени в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы.

Проведен обзор работ по влиянию профиля лазерного пучка на свойства плазмы и анализ состава по спектру плазмы.

В параграфе 1.4 проведен анализ работ по исследованию селективного испарения при лазерной абляции. Рассмотрены результаты, опубликованные в научной литературе, по измерению селективного испарения для разных лазерных источников (длина волны, длительность), разных образцов (сплавы черной металлургии, бронзы, цветные сплавы) и разных условий формирования лазерной плазмы. Рассмотрены основные механизмы образования лазерной плазмы и ее эволюции, а также факторы, отвечающие за селективное испарение компонентов при лазерной абляции. Приведены экспериментальные результаты для исследования селективного испарения в таких приложениях, как напыление тонких пленок, лазерный пробоотбор в методах элементного анализа и в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы.

Во второй главе представлена экспериментальная установка для спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы, приведены ее параметры в разных режимах работы лазера.

В параграфе 2.1 представлена схема экспериментальной установки (Рис. 1), приведены основные технические характеристики используемого оборудования. Изучение влияния свойств лазерного излучения и селективного испарения на спектр лазерной плазмы и результаты элементного анализа в спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы проводили на примере импульсного твердотельного лазера Nd:АИГ с ламповой накачкой и модулятором добротности Поккельса ( = 1064, = 10 нс, E = 1 - 280 мДж/имп, 1 - 10 Гц). Для увеличения выходной энергии импульсов лазера предусмотрен дополнительный оптический усилитель. Специально разработанный генератор высоковольтных импульсов для питания электрооптического модулятора добротности в режиме моно- или сдвоенных импульсов позволял получать цуг из двух наносекундных импульсов за одну вспышку лампы с управляемым интервалом между импульсами в диапазоне от 18 до 60 мкс. Переключение режимов генерации лазера (одномодовый и многомодовый) проводили, размещая диафрагму в лазерном резонаторе.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Схемы сбора излучения лазерной плазмы: (a) – использование оптического волокна; (б) - проекция изображения лазерной плазмы на входную щель спектрографа.

1. лазер Nd:АИГ (1064 нм, 10 нс, 1 Гц, 1-200 мДж/имп); 2. выходное зеркало; 3. лампа накачки;

4. активный элемент; 5. диафрагма; 6. модулятор добротности; 7. глухое зеркало; 8. осциллограф;