Работа выполнена на кафедре лазерных технологий и экологического

на правах рукописи

приборостроения инженерно-физического факультета Санкт-Петербургского

национального исследовательского университета информационных технологий,

механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук

, доцент Яковлев Евгений Борисович, НИУ ИТМО, профессор кафедры ЛТиЭП Сергаева Ольга Николаевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Никоноров Николай Валентинович, НИУ ИТМО, заведующий кафедрой

ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ОКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ

Оптоинформационных технологий и материалов

ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ

кандидат физико-математических наук, ИМПУЛЬСОВ Макин Владимир Сергеевич, ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Институт теоретической физики Специальность 01.04.05 - Оптика им. Л.Д. Ландау РАН, г. Москва

Защита состоится 3 декабря 2013 г. в 17 ч.10 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 в Санкт - Петербургском национальном исследовательском

Автореферат диссертации университете информационных технологий, механики и оптики по адресу:

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.

на соискание ученой степени

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского кандидата физико-математических наук национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «30» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.02 Бурункова Ю.Э.

кандидат физико-математических наук, доцент Санкт-Петербург - ультракоротких лазерных импульсов, а именно лазерного нагревания с

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

учетом эмиссии электронов и лазерного окисления.

Актуальность темы Целью диссертационной работы является исследование механизмов Использование фемтосекундных лазеров открывает новые электронной эмиссии в металлах и окисления металлов при воздействии возможности в целом ряде технологических приложений в микро- и лазерных импульсов ультракороткой длительности.

нанотехнологиях, микро- и нанохирургии, микро- и нанобиологии, Задачи исследования стоматологии, офтальмологии. Технологии на основе фемтосекундных 1. Построить модель эмиссионных процессов, учитывающую термо- и воздействий используют, например, для изготовления элементов для многоквантовую фотоэмиссию, при воздействии ультракоротких солнечной энергетики и интегрально-оптических компонентов, повышения лазерных импульсов на металлы.

производительности фотоэлектронных приборов, уменьшения трения и 2. Предложить физическую и математическую модель лазерного повышение механической износостойкости, для обработки поверхностей окисления металлов при воздействии ультракоротких лазерных имплантов в медицине и т.д. Развитие всех этих направлений требует импульсов.

изучения процессов, происходящих при воздействии импульсов 3. На основе этих моделей провести анализ эмиссионных процессов и ультракороткой длительности на различные среды.

окисления металлов при воздействии фемтосекундных лазерных Большой интерес представляет исследование динамики импульсов.

неравновесных носителей и оптических свойств конденсированных сред в течение действия фемтосекундного импульса. Эти процессы интересны как Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки новых 1. Эмиссия электронов при воздействии фемтосекундных лазерных лазерных технологий модификации поверхности. импульсов на металлы не вносит существенного вклада в энергобаланс.

Одной из важных задач исследования воздействия ультракоротких Из-за высокой начальной концентрации свободных электронов условия импульсов лазерного излучения на металлы является лазерное окисление, возникновения кулоновского взрыва в металлах могут быть реализованы которое лежит в основе термохимического метода изготовления только при плотностях энергии поглощенного излучения свыше дифракционных оптических элементов, используемых для преобразования 10 Дж/см2, при которых начинает развиваться приповерхностное облако световых пучков при дифракции на их структуре [1]. В настоящее время для плазмы, механизм разрушения изменяется.

увеличения разрешающей способности полученных элементов применяют 2. Окисление металлов при воздействии одиночных фемтосекундных ультракороткие лазерные импульсы. Между тем результат их воздействия лазерных импульсов происходит по линейному закону, а скорость роста на тонкие пленки противоречит существующим теоретическим оценкам [2], окисла определяется эмиссией электронов.

согласно которым ультракороткие импульсы не должны инициировать рост 3. Окисление металлов при воздействии фемтосекундных лазерных окисной пленки на поверхности металлов. В экспериментах, описанных в импульсов с мегагерцовой частотой следования может быть описано как литературе [3], была показана возможность окисления металлических пленок окисление при действии непрерывного излучения с плотностью хрома при воздействии, как серии ультракоротких лазерных импульсов, так мощности равной средней плотности мощности фемтосекундного и одиночных импульсов. Механизмы, приводящие к образованию излучения.

';

защитного окисла в этих условиях, требуют дополнительного изучения.

В работе с помощью компьютерного моделирования проведено исследование процессов, происходящих в металле при воздействии 3 полупроводниках и широкозонных диэлектриках при воздействии Научная новизна работы фемтосекундного лазерного излучения», 2009 - 2011 гг.;

1. Впервые показано, что эмиссия электронов при фемтосекундном лазерном воздействии оказывает слабое влияние на теплофизические и № 10-02-00208-a «Модификация структуры стеклокристаллических тонких оптические свойства образца и, следовательно, на динамику слоев под действием сверхкоротких импульсов лазерного излучения», 2010-2012;

температуры. Высокая начальная концентрация свободных электронов в № 12-02-01194-а «Структурное моделирование воздействия ультракоротких металлах препятствует созданию условий возникновения кулоновского взрыва.

2. При воздействии серии ультракоротких лазерных импульсов с мегагерцовой частотой следования происходит накопление тепла в связей в процессе лазерной наномодификации тонких металлических пленок, пленке и подложке от импульса к импульсу, окисление описывается 2012 - 2014 гг.;

параболическим Вагнеровским законом, как при длительном воздействии, вклад других механизмов оказывается незначительным по сравнению с тепловым механизмом роста окисла.

3. При воздействии серии лазерных импульсов с низкой частотой повторения, когда пленка успевает остыть между импульсами, или одиночных лазерных импульсов существенное влияние на рост окисной П1134 от 27 августа 2009 «Новый класс явлений структурно–фазовой пленки оказывает термоэлектронная эмиссия с поверхности хрома. перестройки в стеклокристаллических средах под действием лазерного Создана программа для моделирования нагревания металла при № 11.519.11.4017 от 21 октября 2011 г. «Лазерная модификация и воздействии ультракоротких лазерных импульсов с учетом эмиссии структурирование твердых тел как метод создания новых элементов электронов.

Написана программа для компьютерного моделирования окисления тонкой металлической плёнки на стеклянной подложке под действием одиночных и серии ультракоротких лазерных импульсов.

Результаты использованы в курсе лекций «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» для магистров, обучающихся по магистерской стеклокристаллических средах» 2012 - 2014 гг.

программе 200200.68 «Лазерные микро- и нанотехнологии».

№ 09-02-00932-а «Исследование условий возбуждения и распространения СПб, 03 - 06 февраля 2009; VI Всероссийская межвузовская конференция Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 20 - 23 импульсов на металлы. В разделе 1.1 представлено описание поглощения апреля 2010; International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- лазерного излучения и нагревания металла ультракороткими лазерными & Nanotechnologies" (FLAMN-10), Saint-Petersburg-Pushkin, 05 - 08 july 2010; импульсами. Раздел 1.2 посвящен анализу механизмов лазерного окисления XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 01 - металлов. В разделе 1.3 приведены основные результаты работ по фото- и 04 февраля 2011; VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых термоэмиссии электронов. В разделе 1.4 сформулированы выводы по ученых, СПб, 12 - 15 апреля 2011; VII международная конференция обзору, цели и задачи работы.

молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», СПб, 17 - 21 октября 2011; Вторая глава посвящена исследованию роли эмиссии электронов при ХLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 31 воздействии ультракоротких лазерных импульсов на металлы.

января - 03 февраля 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, В разделе 2.1 приведено описание предложенных физической и 10 - 13 апреля 2012; X International Seminar "Mathematical Models & математической моделей нагревания металлов при воздействии Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced Science Technologies", ультракоротких лазерных импульсов.

Petrovac, Montenegro, 26 may - 01 june 2012; ХLII научная и учебно- В основу модели положена двухтемпературная модель [4]:

методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 29 января - 1 февраля 2013; II Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, 9 - 12 апреля 2013;

International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro - & Nanotechnologies" (FLAMN-13), Saint-Petersburg-Pushkin, 24 - 28 june 2013.

4 приложений. Материалы изложены на 130 страницах, включая 14 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 93 наименований.

Постановка задачи осуществлялась совместно с научным непосредственном участии, анализ результатов проводился совместно с где qe – тепловой поток, уносимый эмитированными электронами, Tn – научным руководителем. Публикации подготовлены совместно с начальная температура.

Во введении обоснована актуальность исследований, изложены цели, задачи и научная новизна работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, определена структура диссертации.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных данных о процессах, происходящих при воздействии ультракоротких лазерных Изменение концентрации электронов nе описано уравнением: Поле, возникшее вследствие разделения зарядов, может достигать – поток термоэмиссии электронов, определяемый законом Ричардсона (kR – постоянная Ричардсона, e – работа выхода электронов.

– поток электронов (см-2/сек), обусловленный фотоэмиссией для mN, см-3 * фотонного поглощения, J – поток квантов, поглощенных металлом, J=q/, m – сечение многофотонного поглощения m = 1m ne 0m 1, exp ( z le ) Эмиссия электронов приводит к накоплению положительного заряда на поверхности металла и к возникновению электрического поля. Для расчета электрического поля, создаваемого в результате нарушения Рисунок 1. Зависимости концентрации электронов (2) и концентраций квазинейтральности в облученной области, решается уравнение [5]:

Рисунок 2. (а) Зависимость электрического поля E (1), возникшего вследствие эмиссии электронов, от времени, пороговое значение поля Eth (2) соответствует началу кулоновского взрыва. Форма импульса q=qmexp(поверхности металлической пленки за счет многофотонной фотоэмиссии, (t-tm)2/tm12), tm=100 фс, tm1=50 фс (3) и концентрация электронов (4) как функция времени. (б) Зависимость времени начала кулоновского взрыва от плотности мощности лазерного излучения В разделах 2.2 и 2.3 описаны алгоритм вычислений и результаты численного эксперимента.

Численный эксперимент показал, что возникновение кулоновского взрыва во время воздействия фемтосекундного импульса в металлах требует образования окисла металлов при воздействии одиночного ультракороткого лазерного импульса. Показано, что модели поверхностного и объемного окисления не описывают адекватно экспериментальные результаты по термоэлектронной эмиссии; б - образующегося при участии Концентрации реагентов и продуктов реакций могут быть оценены на Толщина окисла CrO2, образующегося при влиянии термоэлектронной эмиссии составляет единицы нанометров, что близко к экспериментальным = k2 nCr (t )nO2 (t ) + k1nCrO2 (t ) / 4, фемтосекундных лазерных импульсов с мегагерцовой частотой следования.

высокой частоте следования импульсов является увеличение максимальной температуры от импульса к импульсу вследствие неполного остывания где nCr, nO, nCrO, nCr O - концентрации атомов хрома и молекул кислорода, пленки между импульсами и накопления тепла в подложке. Для растворенного в пленке хрома и образующихся оксидов хрома моделирования окисления, происходящего при воздействии серии ( nCr =8,3291022 см-3, nO =11022 см-3); k1, k2 – константы скорости для ультракоротких лазерных импульсов с высокой частотой повторения (80 МГц в эксперименте из [3] (длительность импульса 100 фс, средняя мощность 250 мВт)) было учтено поверхностное и объемное окисление, а так же вклад эмиссии электронов как при окислении одиночным импульсом Для описания поверхностного окисления применяется Вагнеровский закон [2]:

где В – константа параболического окисления, Ta- энергия активации диффузионных процессов, выраженная в Кельвинах, t – время. Для образующихся окислов хрома: TaCrO2=32500 К [2], TaCr2O3=50000 К, BCrO2=0,3 см2/с [2], BCr2O3=0,4 см2/с. Реакции являются экзотермическими, их тепловой эффект QCrO2=34650 Дж/см3 и QCr2O3=59446 Дж/см3.

Рассмотрены следующие реакции взаимодействия хрома с кислородом:

h CrO2, нм В работе проанализированы особенности лазерного воздействия ультракоротких лазерных импульсов на металлы.

В численном эксперименте изучено влияние эмиссии электронов на свойства металлов при облучении фемтосекундным лазерным импульсом.

Эмиссия слабо влияет на нагревание металла. При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов термоэлектронная эмиссия увеличивается с температурой электронов и преобладает над фотоэмиссией Численный эксперимент показал, что возникновение кулоновского взрыва во время воздействия фемтосекундного импульса в металлах требует такой высокой плотности мощности падающего излучения, при которой Яковлев Е.Б., Сергаева О.Н., Свирина В.В. Влияние эмиссии Свирина В.В., Сергаева О.Н. Численное моделирование лазерного электронов на нагревание металлов фемтосекундными лазерными плавления металлов ультракороткими импульсами // Сборник трудов импульсами// Оптический журнал– 2011. – T. 78. – № 8. – С. 24-28. конференции молодых ученых, Выпуск 3. Оптоинформатика, наносистемы В индексируемых зарубежных изданиях:

Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Effect of electron emission on solids heating by femtosecond laser pulse // Proc. of SPIE – 2011. - Vol. 7996. импульсами // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, P. 79960U-1 - 79960U-7.

Dyukin R.V., Martsinovskiy G.A., Sergaeva O.N., Shandybina G.D., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Interaction of femtosecond laser pulses with solids:

electron/phonon/plasmon dynamics // Laser Pulses – Theory, Technology, and Applications / ed. Peshko I. – Croatia: InTech. – 2012. – Chapter 7. – P. 197-219.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ: 13. Свирина В.В., Сергаева О.Н. Моделирование окисления тонких Яковлев Е.Б., Свирина В.В., Сергаева О.Н. «Программа расчета температуры металла при нагревании лазерным ультракоротким импульсом с учетом эмиссии электронов и зависимости свойств металла от температуры» № 2013613740 от 15.04.2013 г.

Яковлев Е.Б., Свирина В.В., Сергаева О.Н. «Программа для моделирования процессов плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов» № 2013616981 от 30.07.2013 г.

Другие публикации:

Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Modeling of metals melting and cristallization under the action of ultrashort laser pulse // Mathematica 2012. – С. 179-180.

Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Effect of electron emission on

8. action of ultrashort laser pulse // Abstracts of X International Seminar

solids heating by femtosecond laser pulse // Abstracts of International Conference "Mathematical Models & Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced “Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies” (FLAMN-10). – Science Technologies". – Petrovac, Montenegro, 2012. – P. 8.

Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Modeling of thin metallic films oxidation under the ultrashort laser pulse action // Abstracts of International импульсов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies” Выпуск 2. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – С. 231-232.

(FLAMN-13). – Saint-Petersburg: 2013. – P. 127-128.

Цитированная литература 1. 3D лазерные информационные технологии / Твердохлеб П.Е., Коронкевич В.П., Полещук А.Г. и др. – Новосибирск: Изд. ИАЭ, 2003. – 550 с.

2. Либенсон М. Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. – СПб.:

Наука, 2007. – 423 с.

3. Вейко В.П., Иванов А.И., Ярчук М.В. Исследование низкопороговых механизмов модификации структуры тонких пленок хрома под действием сверхкоротких лазерных импульсов // Оптический журнал – 2011. – Т. 78. – № 8. – С. 56-64.

4. Dyukin R.V., Martsinovskiy G.A., Sergaeva O.N., Shandybina G.D., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Interaction of femtosecond laser pulses with solids:

electron/phonon/plasmon dynamics // Laser pulses – theory, technology, and applications / ed. by I. Peshko. – Croatia: InTech. – 2012. – Chapter 7. – P. 197-219.

5. Bulgakova N.M., Rosenfeld A., Ehrentraut L., Stoian R., Hertel I.V. Modeling of Electron Dynamics in Laser-Irradiated Solids: Progress Achieved Through a Continuum Approach and Future Prospects // Proc. SPIE. – 2007. – Vol. 6732. – P. 673208-673223.

6. Лачко И.М. Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом: Роль примесного слоя: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 / Лачко Илья Михайлович – М., – 2006. – 22 с.

7. Upadhyay A.K., Inogamov N.A., Rethfeld B., Urbassek H.M. Ablation by Ultrashort Laser Pulses: Atomistic and Thermodynamic Analysis of The Processes at the Ablation Threshold // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 78. – P. 045437-1-10.

8. Gamaly E.G. The physics of ultra-short laser interaction with solids at nonrelativistic intensities // Phys. Rep. – 2011. – Vol. 508 – P. 91-243.

9. Замараев К.И. Химическая кинетика: курс лекций: [в 3 ч.] – Новосибирск: