1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 6, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 6, стр. 853-858

Лазерная абляция металлических мишеней в жидкости цугами наносекундных импульсов

А. А. Антипов 1, *, А. Г. Путилов 1, А. В. Осипов 2, А. Е. Шепелев 1

1 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН – филиал Федерального государственного учреждения “Федеральный научно-исследовательский центр “Кристаллография и фотоника” Российской академии наук”
Шатура, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых”
Владимир, Россия

* E-mail: antiplit@yandex.ru

Поступила в редакцию 17.01.2022
После доработки 07.02.2022
Принята к публикации 21.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучен процесс лазерной абляции твердых мишеней в жидкости под действием импульсов микросекундной длительности специально разработанного твердотельного лазера. Отдельное внимание уделено исследованиям пространственно-временных и энергетических характеристик лазера. Показано, что микросекундный лазерный импульс состоит из цуга импульсов короткой длительности с высокой частотой повторения, при воздействии которого формируются наночастицы различного размера.

ВВЕДЕНИЕ

Наноматериалы на основе благородных металлов (серебро, золото и т.д.) обладают рядом уникальных комбинаций новых физических и химических свойств [1]. Одним из направлений развития фотовольтаики является возможность использования наночастиц золота и серебра, которые обладают поверхностным плазмонным резонансом [2, 3]. Развитие данного направления может способствовать созданию плазмонных солнечных элементов [4], сенсоров нового поколения основанных на принципе ГКР [5], диагностики и терапии различных заболеваний [6, 7]. Поэтому синтез наночастиц и наноматериалов является перспективной и актуальной задачей, направленной на контроль параметров наночастиц (размер, форма, состав), определяющих дальнейшее использование материалов в различных приложениях.

Одним из перспективных методов формирования наноразмерных материалов является метод лазерной абляции материала в жидкость [8]. Данным методом формируются беспримесные частицы малого размера с возможностью их контроля. Контроль осуществляется путем варьирования параметров и характеристик лазерного излучения (длина волны, энергия импульса, длительность и частота следования импульсов и др.), что способствует формированию наноструктур с требуемыми характеристиками. Результаты синтеза наночастиц в жидкости с применением Nd:YAG или Yb:YAG лазеров представлены в ряде работ (см, например, [9–16] и табл. 1).

Таблица 1.  

Результаты синтеза наночастиц в жидкости с применением Nd:YAG или Yb:YAG лазеров

Материал Жидкость Размер
частиц, нм 		Длина волны излучения, нм Ссылка
Au Вода 18 1064 10
Вода         4–130 800 11
Вода 11 532 12
Расплав неорганических солей (NaNO3) 10–30 1060–1070 16
Вода 10–20 1064 15
Ag Вода 11.4 532 13
Вода 18 1064 14

Следует отметить, что данный подход, основанный на изменении энергетических и пространственно-временных параметров воздействующего лазерного излучения, неоднократно применялся для повышения эффективности абляции материалов при решении, как правило, технологических задач обработки материалов. Результаты ряда работ показывают, что при определенных параметрах излучения достигается увеличение скорости перфорации и улучшение качества формируемых отверстий, качества реза и сварного шва [17–20].

Однако анализ проведенных работ в области формирования наноразмерных материалов методом лазерной абляции в жидкость показывает, что задача оптимизации параметров воздействующего лазерного излучения и поиск эффективных режимов воздействия для формирования беспримесных частиц различного контролируемого размера остается актуальной до сих пор.

В частности, в одной из недавних работ установлено, что изменение длительности воздействующего лазерного импульса и повышение плотности его энергии приводят как к увеличению среднего размера, так и к дисперсии распределения и возможной фрагментации частиц [21].

В данной работе представлены первые экспериментальные результаты по формированию частиц методом лазерной абляции материала в жидкость излучением цугами импульсов наносекундной длительности с длиной волны 0.75 мкм [22].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для абляции металлических мишеней нами был разработан и создан твердотельный лазер на основе александрита Cr3+: BeAl2O4, представляющим собой лазерный кристалл с хорошими оптическими, термомеханическими и генерационными свойствами [22]. Резонатор лазера был образован системой двух плоских зеркал с оптимальным коэффициентом отражения выходного ρλ ≈ 80% на рабочей длине волны. Активный элемент был выполнен в виде цилиндра ∅6.3 × 100 мм с просветленными торцами на рабочих длинах волн в диапазоне от 700 до 820 нм. Накачка осуществлялась излучением импульсной ксеноновой лампы, помещенной вместе с активным элементом в эллиптический отражатель. При этом была получена генерация излучения на переходе, соответствующим основной длине волны 750 нм. Система охлаждения лазера была реализована путем прокачки дистиллированной воды комнатной температуры.

Схема эксперимента по формированию частиц методом лазерной абляции материала в жидкость приведена на рис. 1, основные характеристики излучения лазера на александрите приведены в табл. 2. В работе экспериментально исследовались три типа материала (медь, золото, серебро) с различными теплофизическими и оптическими свойствами. Выбор указанных материалов обусловлен их широким использованием в различных отраслях науки и техники.

Рис. 1.

Оптическая схема эксперимента, где 1 – лазер на александрите, 2 – пироэлектрический преобразователь PE-25 (Ophir), 3 – диффузный экран, 4, 9 – клин оптический, 5 – анализатор профиля лазерного пучка Pyrocam III (Ophir), 6 – линза, 7 – фотоприемник OD-08A (Avesta), 8 – спектрометр HR4000 (Ocean Optics), 10 – поворотное зеркало, 11 – кювета с мишенью.

Таблица 2.  

Основные характеристики лазера на александрите

Параметр Значение
Длина волны излучения, нм 750
Ширина спектра излучения, нм 1
Длительность импульсов в цуге, нс 400
Длительность цуга, мкс 100–220
Частота следования импульсов в цуге, кГц 170–250
Энергия цуга импульсов, Дж 0.5–3.5
Частота следования цугов, Гц 3–15

Изменение импульсной энергии излучения осуществлялось за счет изменения энергии накачки импульсных ламп. Формирование на мишени лазерного пучка с определенной площадью поперечного сечения и соответственно с определенной плотностью энергии импульса обеспечивалось путем использования в схеме плосковыпуклой фокусирующей линзы (f ≈ 250 мм). Для измерения энергии микросекундного цуга использовался пироэлектрический преобразователь PE-25 со спектральным диапазоном чувствительности 0.15–3 мкм и диапазоном измерений 8 мкДж–10 Дж. Первичная обработка и документирование результатов измерений выполнялись с использованием интерфейса Juno. При этом энергетические параметры воздействующего излучения измерялись косвенно с учетом коэффициентов отражения от граней и пропускания оптического клина и линзы (рис. 1).

Длина волны и длительность цуга излучения измерялись с помощью спектрометра HR4000 (разрешение не хуже 1 нм) и фотоприемника OD-08A (постоянная времени 0.4 нс) с осциллографом Rigol соответственно путем регистрации излучения, отраженного от диффузного экрана. Распределение плотности энергии и диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения оценивались анализатором профиля лазерного пучка PY-III HR. Для соответствия плотности энергии измеряемого излучения и порогового значения плотности энергии для матричного фотоприемника анализатора PY-III HR в схеме дополнительно использовались ослабляющие светофильтры.

Однокомпонентные коллоидные растворы формировались методом лазерной абляции материала в жидкость. Для различных материалов мишеней нами экспериментально определены параметры воздействующего излучения, способствующие образованию на границе раздела мишень-жидкость плазменного факела. Плотность энергии цуга лазерного излучения составила для Cu – 52; Au – 46; Ag – от 33 до 39 Дж/см2. Плазменный факел формировался в воздушном пузыре, так как локальный лазерный нагрев мишени приводит к повышению ее температуры превышающей температуру кипения жидкости. При локальном воздействии происходило поверхностное плавление мишени и быстрое ее остывание, в зависимости от теплофизических свойств. Варьируя частотой лазерного излучения, образование плазменного факела с различной интенсивностью происходило за разное время облучения от 10 до 20 с. После образование оптического пробоя начинался процесс сканирования мишени со скоростью, не превышающей 2 мм/с. Увеличение скорости приводило к тому, что мишень не успевала нагреться и плазменный факел не возникал. Параметры воздействующего лазерного излучения для различных материалов мишени представлены в табл. 3.

Таблица 3.  

Основные характеристики лазерного излучения в зависимости от эксперимента

Параметр Номер эксперимента
1 2 3 4 5
Материал мишени Ag Ag Ag Cu Au
Длительность цуга, мкс 210 190 210 120 210
Частота повторения цугов, Гц 5 5 3 30 15
Энергия цуга, Дж 2.8 2 2.5 1.25 3.45

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования однокомпонентных растворов с определением среднего размера частиц проводились на лазерном анализаторе размера частиц Horiba LB-550. Гистограммы распределения частиц по размерам приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Гистограммы распределения размеров частиц и графики временной формы цуга, воздействующего на различные мишень импульса лазерного излучения: эксперимент № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г), № 5 (д).

Полученные гистограммы свидетельствуют о формирование наночастиц в процессе лазерной абляции мишеней при различных параметрах воздействующего лазерного излучения, таких как частота следования, временная форма и энергия цуга. Образование бимодальных распределений можно объяснить режимом лазерного воздействия. Разработанный и используемый нами твердотельный лазер работает в режиме свободной генерации. Временная форма воздействующего высокоэнергетического импульса лазерного излучения представляет собой цуг высокоинтенсивных импульсов короткой длительности, следующих с высокой частотой повторения. Длительность, форма и энергия такого цуга определяются параметрами резонатора и зависят от параметров излучения накачки, таких как энергия и длительность импульса.

Воздействие на мишень такого цуга с одной стороны аналогично воздействию единичного лазерного моноимпульса (огибающая цуга), с другой – воздействию отдельных лазерных пичков наносекундной длительности. Если усреднить количество импульсов в цуге по амплитуде и длительности, то получается единичный импульс длительностью по уровню 1/2 от максимальной амплитуды ~400 нс. Частота следования импульсов в цуге составляет ~200 кГц. В каждой отдельной серии экспериментов воздействие на мишень происходило при различной энергии и частоте следования импульсов накачки, что влияло на длительность лазерного цуга и количества импульсов в нем. Для каждого эксперимента статистически высчитывалось количество лазерных импульсов в цуге, их интенсивность и длительность. В этом случае импульсную плотность мощности и энергии необходимо пересчитать под параметр каждого отдельного пичка, принимая, что площадь воздействия на мишень для каждого отдельного пичка остается такая же, как и для цуга в целом. Усредненный по длительности импульс и зависимость импульсной плотности мощности и энергии на мишени изображены на рис. 3.

Рис. 3.

Усредненный по длительности импульс и зависимость импульсной плотности мощности и энергии на мишени в экспериментах № 1–5.

Анализ результатов, представленных в виде гистограмм на рис. 2, позволяет сделать вывод, что линейные размеры наночастиц зависят от воздействующего цуга лазерных импульсов и составляют от десятков до нескольких сотен нанометров. Размеры наночастиц, сформированных методом абляции в жидкости излучением лазера на александрите, сопоставимы с размерами наночастиц, полученных абляцией излучением других лазерных источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и создан твердотельный лазер на базе кристалла александрита, генерирующий импульсы излучения микросекундной длительности для лазерной абляции материала в жидкость. Проведены исследования спектральных, энергетических и пространственно-временных параметров и характеристик излучения лазера. Показано, что лазерный импульс представляет собой цуг импульсов короткой длительности – 400 нс с высокой частотой повторения порядка 200 кГц. Временная форма и количество коротких импульсов в цуге варьируется изменением энергии накачки. Экспериментально показано, что формирование плазменного факела зависит как от времени локального воздействия, так и скорости сканирования, которая в данном случае не должна превышать 2 мм/с. В зависимости от энергетических и временных параметров цуга лазерных импульсов, воздействующего на мишени, формируются коллоидные растворы с наночастицами различного размера без формирования агломератов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 19-29-10022, № 20-02-00515, № 20-32-90052) и Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по теме государственного задания ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН.

Список литературы

  1. Ghosh S.K., Pal T. // Chem. Rev. 2007. V.107. P. 4797.

  2. Atwater H.A., Polman A. // Nature Mater. 2010. V. 9. P. 205.

  3. Pillai S., Green M.A. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2010. V. 94. P. 1481.

  4. Clavero C. // Nature Photon. 2014. V. 8. P. 95.

  5. Fleischmann M., Hendra P.J., McQuillan A.J. // Chem. Phys. Lett. 1974. V. 26. P. 163.

  6. Conde J., Doria G., Baptista P. // J. Drug. Deliv. 2012. V. 1. Art. No. 751075.

  7. Cho S.H. // Phys. Med. Biol. 2005. V. 50. P. 163.

  8. Antipov A.A., Arakelian S.M., Kutrovskaya S.V. et al. // Opt. Spectrosc. 2014. V. 116. P. 324.

  9. Amendola V., Meneghetti M. // Chem. Phys. 2009. V. 11. P. 3805.

  10. Compagnini G., Scalisi A., Puglisi O. // Chem. Phys. 2002. V. 4. P. 2787.

  11. Nichols W.T., Sasaki T., Koshizaki N. // Appl. Phys. 2006. V. 100. Art. No. 114913.

  12. Compagnini G., Messina E., Puglisi O., Nicolosi V. // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 254. P. 1007.

  13. Link S., El-Sayed M.A. // Int. Rev. Phys. Chem. 2000. V. 19. P. 409.

  14. Tsuji T., Thang D.H., Okazaki Y. et al. // Appl. Surf. Sci. 2008. V. 254. P. 5224.

  15. Kucherik A.O., Ryabchikov Y.V., Kutrovskaya S.V. et al. // Chem. Phys. Chem. 2017. V. 18. P. 1185.

  16. Жильникова М.И., Раков И.И., Уваров О.В., Шафеев Г.А. // Квант. электрон. 2021. Т. 51. № 4. С. 320.

  17. Басиев Т.Т., Гаврилов А.В., Осико В.В. и др. // Квант. электрон. 2007. Т. 37. № 1. С. 99.

  18. Chludzinski M., Churiaque C., Fernandez-Vidal S.R. et al. // Opt. Laser Technol. 2021. V. 134. Art. No. 106583.

  19. Солохин С.А., Сметанин С.Н., Гаврилов А.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 10. С. 1242; Solokhin S.A., Smetanin S.N., Gavrilov A.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2012. V. 76. No. 10. P. 1115.

  20. Lehane C., Kwok H.S. // Appl. Phys. A. 2001. V. 73. No. 1. P. 45.

  21. Imam H., Elsayed K., Ahmed M.A., Ramdan R. // Opt. Photon. J. 2012. V. 2. P. 73.

  22. Антипов А.А., Путилов А.Г., Осипов А.В., Шепелев А.Е. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. С. 1593; Antipov A.A., Putilov A.G., Osipov A.V., Shepelev A.E. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. No. 11. P. 1359.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал