![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
В рамках данного проекта планируется исследовать особенности процесса абляции, возникающей в ряде материалов (металлы, прозрачные диэлектрики, твердые биоткани) в режиме плазмообразования при воздействии на них последовательностью импульсов интенсивного фемтосекундного (~100фс) лазерного излучения с плотностью энергии, лежащей в диапазоне 10-1000 Дж/см2 (интенсивность 10^14-10^16Вт/см2). Особое внимание будет сконцентрировано на разработке новых методов контроля процессов массопереноса и микрообработки материалов (глубины микроканала) в режиме реального времени с использованием сигналов второй гармоники (ГВГ) и рентгеновского излучения, источником которых является плазма в микроканале.
In the framework of this project it is planned to investigate features of the ablation process occurs in a number of materials (metals, transparent dielectrics, rigid tissue) in plasma when exposed to a sequence of pulses of high-intensity femtosecond (~100 fs) laser radiation with energy density lying in the range of 10-1000 J/cm2 (intensity of 10^14-10^16 watts/cm2). Special attention will be focused on the development of new methods for the control of mass transfer processes and micromachining of materials (the depth of microchannel) in real time using second harmonic signals (SHG) and x-ray radiation source is the plasma in the microchannel.
В первый год выполнения проекта нами планируется провести исследования, связанные с изучением особенностей абляции различных материалов и сопутствующих нелинейных процессов (генерации рентгеновского излучения и ГВГ), в зависимости от ряда параметров (чирпирования и длительности лазерного импульса, релеевской длины лазерного пучка и положения его перетяжки относительно поверхности мишени). Выполненные исследования поведения сигналов ГВГ и рентгеновского излучения будут положены в основу методики контроля процесса абляции в режиме реального времени. На втором этапе исследований мы планируем сфокусировать свое внимание на создании схемы и проведении экспериментальных исследований, направленных на диагностику параметров микроканала оптическими методами (его форма и глубина в зависимости от условий фокусировки и интенсивности лазерного излучения) и изучении условий возникновения лазерно-инициированной наработки взвеси в канале мишени, находящейся как в воздухе, так и вакууме, а также влияние взвеси на эффективность процесса абляции. На третьем этапе будет реализована методика, связанная со спектроскопией плазменного свечения из канала (методом рентгеновской спектроскопии и спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы LIBS), а также исследованы структурированные объекты (включая биоткани) для определения переходных областей с помощью сигналов ГВГ, рентгеновского излучения и свечения лазерно-индуцированной плазмы. Помимо этого, будут проведены исследования по двухимпульсному лазерному воздействию на мишени.
Под действием сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью более 10^15 Вт/см2 процесс микроканалирования в твердотельной мишени (находящейся как в вакууме, так и на воздухе) в режиме плазмобразования сопровождается появлением не только жестких рентгеновских фотонов с энергией более 3 кэВ, но и генерацией второй гармоники (Proc. of SPIE, 6606, 66060S (2007). Было установлено, что режиме глубокого микроканалирования, выход рентгеновского излучения и амплитуда сигнала второй гармоники от номера лазерного импульса немонотонны и имеют максимум. Данное обстоятельство связывалось с тем, что при формировании канала в силу некоторых причин (конусность канала, структуры на стенках) увеличивается эффективность энерговклада лазерного излучения в мишень. Однако прямых измерений величины поглощения лазерного излучения (энерговклада) сделано не было. Мы провели начальные исследования параметров лазерно-индуцированной высокотемпературной плазмы в микроканале алюминиевой мишени. Нами было впервые установлено возрастание температуры электронов в канале по сравнению с ее поверхностью (Laser Physics, 18( 4), 380–386 ( 2008)). Нами были поставлены эксперименты, направленные на изучение элементного состава мишеней (на примере дентина) при воздействии на мишень излучения интенсивного фемтосекундного лазера с использованием a) методики спектроскопии лазерно-индуцированной плазмы (LIBS) и b) методики характеристического рентгеновского излучения (Laser Physics, 19(6), 1288-1293 (2009)). Методика измерения параметров характеристического рентгеновского излучения была отработана в (Laser Physics, 20(4), 816–819 (2010); Eur. Phys. J. D, 67, 55 (2013)). Таким образом, выполненные работы создали основу для проведения успешных научных исследований, приведенный в заявке краткий список некоторых публикаций коллектива дополняет общее представление о научном заделе по представленному проекту.
• Обнаружено, что по мере формирования канала в мишени (на примере алюминиевой фольги толщиной 50 мкм), находящейся в вакууме, доля отраженной энергии воздействующего фс-лазерного лазерного излучения (нормальное падение, длина волны 1.24мкм, длительность импульса 140 фс, энергия в импульсе 400 мкДж, фокусировка объективом f=6 см в пятно диаметром 6 мкм) нелинейно падает с 20% в первом лазерном выстреле до 10% в течение последующих пяти импульсов, при этом выход рентгеновского излучения увеличивается и достигает максимума в области десятого лазерного импульса. • Зарегистрировано падение средней скорости абляции падает с увеличением толщины используемых мишеней (показано на примере алюминиевых и титановых фольг, находящихся в воздухе). Так, для алюминиевой фольги толщиной 100 мкм средняя скорость абляции (энергия в импульсе 200 мкДж, интенсивность 5∙10^15 Вт/см2, фокусировка f=6 см, рэлеевская длина 23 мкм) составляет около 0.8 мкм/имп, а при увеличении толщины фольги вдвое падает до 0.2мкм/имп. Для титановой фольги толщиной 50 мкм линейная скорость абляции достигает 1.4 мкм/имп, при увеличении толщины фольги вдвое (до 100 мкм) падает примерно до 0,5 мкм/имп. • Установлено, что при формировании канала фемтосекундным лазерным излучением (энергия в импульсе 200 мкДж, интенсивность 5∙10^15 Вт/см2, фокусировка f=6 см, рэлеевская длина 23 мкм) в титановой сэндвич-мишени (две склеенные фольги, суммарная толщина 100 мкм), находящейся в воздухе, смещение положения перетяжки (излучение фокусировалось объективом f=6 см, рэлеевская длина пучка 23 мкм) внутрь мишени на 50-100 мкм приводит к уменьшению скорости абляции на величину, не превышающую 20% от исходной. • Проведены эксперименты по измерению средней скорости абляции в зависимости от плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения, воздействующего на алюминиевую фольгу толщиной 50 мкм, находящуюся в вакууме. Плотность энергии регулировалась отстройкой положения перетяжки лазерного излучения (длина перетяжки около 50 мкм) относительно поверхности мишени. Получено, что при снижении плотности энергии до 20 Дж/см2, средняя скорость абляции составляет 0,25 мкм/имп в случае положения перетяжки излучения перед мишенью и 2 мкм/имп в случае заглубления перетяжки внутрь мишени. • Проведены первые эксперименты с использованием твердотельных мишеней, атомы которых имеют характеристические рентгеновские линии в диапазоне 2-8 кэВ (NaCl, KCl, CuSO4) по регистрации спектра рентгеновского излучения, которое генерируется при формировании микроканала в таких мишенях последовательностью интенсивных (вакуумная интенсивность I~2∙10^15 Вт/см2) фс-лазерных импульсов. Зарегистрировано, что при энергии лазерного импульса около 340 мкДж и фокусировке объективом f=6 см на поверхность мишени, находящейся пи нормальных условиях, в спектре рентгеновского излучения присутствуют рентгеновские линии атомов мишени, так в случае CuSO4 присутствует линия серы и меди (с энергиями 2,3 кэВ и 8 кэВ соответственно). Обнаружено, что при уменьшении энергии лазерного импульса вдвое (до 170 мкДж, т.е. при интенсивности около 2∙10^15 Вт/см2), характеристическая (высокоэнергетичная) линия меди регистрируется. • Проведены эксперименты, направленные на изучение возможности использования метода контроля процесса взаимодействия интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью, основанного на анализе динамики изменения сигнала ГВГ и рентгеновского излучения, возникающих в микроплазме канала мишени. Подтверждены ранее полученные данные о качественной взаимосвязи динамики изменения ГВГ и выхода рентгеновского излучения от номера лазерного выстрела, инициирующего процесс абляции РИ на твердотельных мишенях любого типа (металл, диэлектрики) при вакуумной интенсивности на поверхности мишени порядка (2-5) ∙10^15Вт/см2. • Установлено, что природа возникновения голубого сдвига в спектре сигнала второй гармоники, возникающей в микроплазме канала мишени (Al SiO2, CaF2) при воздействии на мишень фс-лазерным излучением (нормальное падение, длина волны 1.24мкм, длительность импульса 140 фс, энергия в импульсе 400 мкДж, фокусировка объективом f=6 см в пятно диаметром 6 мкм) связана с тем, что в канале при частоте повторений импульсов 10Гц нарабатывается долгоживущая взвесь продуктов абляции. Оценка электронной плотности плазмы взвеси внутри канала, сделанная на основе величины сдвигов спектра ВГ, оказывается величиной порядка 4•10^19 см−3.
МЛЦ МГУ | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 14 февраля 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Нелинейные процессы и массоперенос при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными средами: абляция в режиме плазмообразования и разработка принципов мониторинга глубокой микрообработки вещества по сигналу обратной свя |
Результаты этапа: • Обнаружено, что по мере формирования канала в мишени (на примере алюминиевой фольги толщиной 50 мкм), находящейся в вакууме, доля отраженной энергии воздействующего фс-лазерного лазерного излучения (нормальное падение, длина волны 1.24мкм, длительность импульса 140 фс, энергия в импульсе 400 мкДж, фокусировка объективом f=6 см в пятно диаметром 6 мкм) нелинейно падает с 20% в первом лазерном выстреле до 10% в течение последующих пяти импульсов, при этом выход рентгеновского излучения увеличивается и достигает максимума в области десятого лазерного импульса. • Зарегистрировано падение средней скорости абляции падает с увеличением толщины используемых мишеней (показано на примере алюминиевых и титановых фольг, находящихся в воздухе). Так, для алюминиевой фольги толщиной 100 мкм средняя скорость абляции (энергия в импульсе 200 мкДж, интенсивность 5∙10^15 Вт/см2, фокусировка f=6 см, рэлеевская длина 23 мкм) составляет около 0.8 мкм/имп, а при увеличении толщины фольги вдвое падает до 0.2мкм/имп. Для титановой фольги толщиной 50 мкм линейная скорость абляции достигает 1.4 мкм/имп, при увеличении толщины фольги вдвое (до 100 мкм) падает примерно до 0,5 мкм/имп. • Установлено, что при формировании канала фемтосекундным лазерным излучением (энергия в импульсе 200 мкДж, интенсивность 5∙10^15 Вт/см2, фокусировка f=6 см, рэлеевская длина 23 мкм) в титановой сэндвич-мишени (две склеенные фольги, суммарная толщина 100 мкм), находящейся в воздухе, смещение положения перетяжки (излучение фокусировалось объективом f=6 см, рэлеевская длина пучка 23 мкм) внутрь мишени на 50-100 мкм приводит к уменьшению скорости абляции на величину, не превышающую 20% от исходной. • Проведены эксперименты по измерению средней скорости абляции в зависимости от плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения, воздействующего на алюминиевую фольгу толщиной 50 мкм, находящуюся в вакууме. Плотность энергии регулировалась отстройкой положения перетяжки лазерного излучения (длина перетяжки около 50 мкм) относительно поверхности мишени. Получено, что при снижении плотности энергии до 20 Дж/см2, средняя скорость абляции составляет 0,25 мкм/имп в случае положения перетяжки излучения перед мишенью и 2 мкм/имп в случае заглубления перетяжки внутрь мишени. • Проведены первые эксперименты с использованием твердотельных мишеней, атомы которых имеют характеристические рентгеновские линии в диапазоне 2-8 кэВ (NaCl, KCl, CuSO4) по регистрации спектра рентгеновского излучения, которое генерируется при формировании микроканала в таких мишенях последовательностью интенсивных (вакуумная интенсивность I~2∙10^15 Вт/см2) фс-лазерных импульсов. Зарегистрировано, что при энергии лазерного импульса около 340 мкДж и фокусировке объективом f=6 см на поверхность мишени, находящейся пи нормальных условиях, в спектре рентгеновского излучения присутствуют рентгеновские линии атомов мишени, так в случае CuSO4 присутствует линия серы и меди (с энергиями 2,3 кэВ и 8 кэВ соответственно). Обнаружено, что при уменьшении энергии лазерного импульса вдвое (до 170 мкДж, т.е. при интенсивности около 2∙10^15 Вт/см2), характеристическая (высокоэнергетичная) линия меди регистрируется. • Проведены эксперименты, направленные на изучение возможности использования метода контроля процесса взаимодействия интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью, основанного на анализе динамики изменения сигнала ГВГ и рентгеновского излучения, возникающих в микроплазме канала мишени. Подтверждены ранее полученные данные о качественной взаимосвязи динамики изменения ГВГ и выхода рентгеновского излучения от номера лазерного выстрела, инициирующего процесс абляции РИ на твердотельных мишенях любого типа (металл, диэлектрики) при вакуумной интенсивности на поверхности мишени порядка (2-5) ∙10^15Вт/см2. • Установлено, что природа возникновения голубого сдвига в спектре сигнала второй гармоники, возникающей в микроплазме канала мишени (Al SiO2, CaF2) при воздействии на мишень фс-лазерным излучением (нормальное падение, длина волны 1.24мкм, длительность импульса 140 фс, энергия в импульсе 400 мкДж, фокусировка объективом f=6 см в пятно диаметром 6 мкм) связана с тем, что в канале при частоте повторений импульсов 10Гц нарабатывается долгоживущая взвесь продуктов абляции. Оценка электронной плотности плазмы взвеси внутри канала, сделанная на основе величины сдвигов спектра ВГ, оказывается величиной порядка 4•10^19 см−3. | ||
2 | 2 апреля 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Нелинейные процессы и массоперенос при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными средами: абляция в режиме плазмообразования и разработка принципов мониторинга глубокой микрообработки вещества по сигналу обратной свя |
Результаты этапа: 1. Создана экспериментальная установка для изучения процессов микроканалирования и перфорации многослойных твердотельных структур, протекающих при воздействии на них сфокусированным интенсивным (1015-1016 Вт/см2) фемтосекундным лазерным излучением ближнего ИК диапазона (длительность импульса 200фс, длина волны 1.24мкм, частота повторения 10 Гц, контраст по интенсивности на наносекундном интервале около 105), включающая автоматизированные каналы регистрации жёсткого рентгеновского излучения (интегрального выхода - с помощью рентгеновского детектора на базе ФЭУ-119 снабженного сцинтиллятором NaI и бериллиевым фильтром толщиной 90 мкм и характеристического излучения – с помощью рентгеновского спектрометра на основе Si-pin детектора Amptek), а также каналы регистрации оптического излучения плазмы и второй гармоники (интегрального выхода – с помощью оптического детектора на базе ФЭУ-176 и оптического спектрометра SL40-2-3648USB). 2. Реализована методика контроля процесса и детектирование момента перфорации «тонких» мишеней (толщина мишени сопоставима с релеевской длиной), твердотельных мишеней на подложке (как жидких, так и твердотельных), а также многослойных мишеней (2-4 металлических слоя, скреплённых в одну с помощью двустороннего скотча) с помощью синхронной регистрации как рентгеновского излучения, так и суммарного оптического сигнала плазмы и второй гармоники, сопровождающего такой процесс микрообработки мишеней. 3. Установлено, что под действием сфокусированного интенсивного (1015-1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона (1.24мкм) при фокусировке объективом с f = 6 см момент перфорации каждого следующего слоя многослойной мишени (на примере титановых фольг (2-4 слоя), яичной скорлупы толщиной до 400 мкм с белковой или водяной подложкой) отчетливо проявляется по резкому изменению амплитуды сигнала рентгеновского излучения. При этом замечено, что существует оптимальная величина заглубления фокуса объектива внутрь мишени (в наших условиях эксперимента около 200 мкм), при которой уверенно регистрируются моменты перфорации всех слоёв многослойной структуры, в то время как при фокусировке лазерного излучения на поверхности мишени наблюдаются моменты перфорации лишь первых её слоёв. 4. Установлено, что при регистрации на оптическом ФЭУ сигнала второй гармоники, плазменный фон не удается подавить полностью. В материалах, где имеются слабые плазменные линии, (кварц, Al) большую часть фона удается подавить, поместив мишень в вакуум. В материалах, где вторая гармоника претерпевает малые смещения (яичная скорлупа), эффективно подавляется фон полосовыми фильтрами, а так же интерференционным фильтром на длину волны второй гармоники. 5. Установлено, что переход между слоями яичная скорлупа – белок и яичная скорлупа – вода хорошо виден по интегральному сигналу плазмы и второй гармоники как при фокусировке лазерного излучения на поверхность, так и при заглублении фокуса под поверхность до 400 мкм. При совместной регистрации ренгеновского сигнала и плазмы и второй гармоники, скачек перехода между слоями более ярко выражен по сигналу плазмы и второй гармоники. | ||
3 | 5 апреля 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Нелинейные процессы и массоперенос при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельными средами: абляция в режиме плазмообразования и разработка принципов мониторинга глубокой микрообработки вещества по сигналу обратной свя |
Результаты этапа: 1. Создана экспериментальная установка для изучения процессов микроканалирования и перфорации многослойных твердотельных неорганических и био- структур, находящихся в воздухе или в вакууме, протекающих под действием сфокусированного ( линза f=6 см и f=10 см) интенсивного (I=10^15 Вт/см2) фемтосекундного (200фс) лазерного излучения ближнего ИК диапазона (1,24 мкм) лазера на хром-форстерите. 2. Установлено, что рентгеновское излучение, возникающее в плазме микроканала твердотельной мишени (Al, Cu, Ti, Si) при воздействии лазерного излучения (λ=1,24 мкм, E=0.5-1мДж, τ=200 фс, υ=10Гц, I= 10^15Вт/см2), является индикатором процессов абляции мишени. Исследована средняя скорость абляции алюминиевых и титановых фольг в зависимости от режима фокусировки и плотности энергии лазерного излучения. Получено, что при снижении плотности энергии до 20 Дж/см2, средняя скорость абляции составляет 0,25 мкм/имп в случае положения перетяжки излучения перед мишенью и 2 мкм/имп в случае заглубления перетяжки внутрь мишени. 3. Реализована методика контроля процесса перфорации в режиме реального времени многослойных мишеней с помощью регистрации как сигнала рентгеновского излучения (с использования рентгеновского ФЭУ), так и интегрального оптического сигнала фотоэмиссии и второй гармоники (с использованием ФЭУ видимого диапазона), возникающих в плазме и сопровождающих процесс микроканалирования, протекающий под действием интенсивного фемтосекундного лазерного излучения на твердотельную мишень. Выявлено, что эффективность той или иной методики зависит от материала и структуры мишени. Методика, основанная на регистрации рентгеновского излучения, была апробирована на многослойных мишенях, состоящих из 2-4 слоев титановой/алюминиевой фольги толщиной 50мкм, склеенных двусторонним скотчем толщиной 80мкм. Установлено, что момент перфорации каждого слоя проявляется по резкому изменению амплитуды сигнала рентгеновского излучения и для оптимального детектирования процесса абляции требуется заглубление перетяжки лазерного пучка на глубину, сопоставимую с толщиной слоя. 4. Впервые была осуществлена диагностика микроканалирования в твердой биологической структуре на примере процесса воздействия фемтосекундного лазерного излучения на скорлупу куриного яйца (кальцийсодержащий объект воздействия выступал в качестве модели костной ткани), по возникающему сигналу рентгеновского излучения. Оценена средняя скорость абляции скорлупы, которая составила 2,0±0,5 мкм за импульс. Выявлено, что при взаимодействии лазерного излучения с белковой структурой, находящейся под скорлупой, наблюдаются «всплески» рентгеновского излучения, продолжительность которых увеличивается при заглублении перетяжки пучка в скорлупу. 5. Реализована схема регистрации «бокового» изображения теневой картины «прозрачной» мишени при подсветке зондирующим пучком. Теневая картина регистрировалась на ПЗС-матрице, которая синхронизовалась с частотой следования лазерных импульсов. Использование созданной схемы оптической диагностики позволило проследить картину микроканалирования (при фокусировке интенсивного лазерного излучения на поверхность прозрачных мишеней (например, CaF2, BaF2, LiF, кварц) как в режиме относительно высокой средней скорости абляции (1.6мкм за импульс), которая сопровождалась генерацией рентгеновского излучения из микроплазмы в канале мишени, так и при снижении темпов абляции по мере развития микроканала (его длина достигала максимальной величины 450 мкм). 6. Проведены эксперименты с использованием твердотельных мишеней, атомы которых имеют характеристические рентгеновские линии в диапазоне 2-12 кэВ (NaCl, KCl, CuSO4, ZnSe) по регистрации спектра (в том числе и двухцветного) рентгеновского излучения, которое генерируется при формировании микроканала в таких мишенях последовательностью интенсивных (вакуумная интенсивность I~2•10^15 Вт/см2) фс-лазерных импульсов. Зарегистрировано, что при энергии лазерного импульса около 340 мкДж и фокусировке f=6 см на поверхность мишени, находящейся пи нормальных условиях, в спектре рентгеновского излучения присутствуют рентгеновские линии атомов мишени, так в случае CuSO4 присутствует линия серы и меди (с энергиями 2,3 кэВ и 8 кэВ соответственно). Обнаружено, что при уменьшении энергии лазерного импульса вдвое (до 170 мкДж, т.е. при интенсивности около 2•10^15 Вт/см2), характеристическая (высокоэнергетическая) линия меди регистрируется. 7. Установлено, что при воздействии последовательностью лазерных импульсов (λ=1,24 мкм, E=0.5-1мДж, τ=200 фс, υ=10Гц, I= 10^15-10^16Вт/см2) на металлическую мишень (Cu, Fe), находящуюся как воздухе, так и вакууме, в образующемся микроканале возникает плазма, являющаяся источником квазипостоянных по амплитуде импульсов характеристического рентгеновского излучения (с энергией 8 кэВ и 6 кэВ для меди и железа, соответственно), которые регистрируются в течение длительного времени (более 6000 лазерных импульсов, т.е. 10 минут). Эффективность конверсии лазерной энергии в характеристическое рентгеновское излучение в первые 60 секунд составляет порядка 10-7, число фотонов в полный телесный угол -103-104фот/имп, а в промежуток начиная с 120 секунд до 10 минут с начала формирования канала, эффективность конверсии составляет порядка 10-9 при числе фотонов в телесный угол 102 фот/имп 8. Установлено, что при абляции твердотельной мишени фемтосекундным лазерным излучением (λ=1,24 мкм, E=0.5-1мДж, τ=200 фс, υ=10Гц, I=10^15-10^16Вт/см2, контраст не лучше 103) в воздухе и вакууме в микроканале образуется взвесь микрочастиц, которая возникает из-за абляции вещества мишени предымпульсом, сопровождающим основной лазерный импульс. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".