Измерение энергетического порога лазерной абляции непрозрачных сред

Измерение энергетического порога  
лазерной абляции непрозрачных сред

Учебно-методическое пособие

Е.Ю. Локтионов, В.Д. Телех

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

2-е издание, исправленное 

УДК 621.375.826 
ББК 32.86-5 
 
Л73 

Издание доступно в электронном виде по адресу: 
http://ebooks.bmstu.press/catalog/101/book1981.html 

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Плазменные энергетические установки» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Рецензент д-р физ.-мат. наук С.В. Рыжков 
 
 
Локтионов, Е. Ю. 
Л73  
Измерение энергетического порога лазерной абляции непрозрачных сред : учебно-методическое пособие / Е. Ю. Локтионов, В. Д. Телех. — 2-е изд., испр. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 23, [5] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-5117-3 
Кратко рассмотрены основные механизмы испарения вещества под 
действием импульсов лазерного излучения на непрозрачные среды. Приведено описание методики экспериментального определения порога лазерной 
абляции.  
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Теория газоразрядных устройств», «Основы квантовой электроники и лазерной 
техники», «Промышленные лазерные установки», «Физико-технические 
основы лучевых технологий». 

 
УДК 621.375.826 
 
ББК 32.86-5 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019, 
 
 
с изменениями 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5117-3 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Предисловие 

Любое практическое применение явления лазерной абляции 
начинается с определения порога его проявления, что, в свою очередь, задает требования к лазерным установкам. Полученные в ходе выполнения данной лабораторной работы навыки являются базовыми как для диагностики режимов лазерного воздействия, так и 
для характеризации результатов этого воздействия на непрозрачные среды. При выполнении лабораторной работы используется 
разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана и прошедшая государственную аттестацию методика измерений «Определение порогов 
лазерной абляции» № 49/18.12.15-01.00276-2014 от 18.12.2015 г. 
После освоения материала методических указаний и выпол-
нения лабораторной работы студент приобретет знания об основных механизмах испарения вещества под действием импульсов 
лазерного излучения на непрозрачные среды; получит навыки 
самостоятельной работы с лабораторным и измерительным оборудованием; овладеет экспериментальной техникой измерения 
порога лазерной абляции. 
Цель и задачи работы: ознакомиться с основными механизмами испарения вещества под действием импульсов лазерного излучения и экспериментально определить значение порога лазерной 
абляции непрозрачной среды. 
Приборы и оборудование: твердотельный лазер Lotis TII LS2147, исследуемые образцы, фотодиод, калориметр Ophir 3A-FS, 
цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS2024B,  
аналитические весы CAS CAUW-120D, микроскоп измерительный, 
пинцет, оптические элементы — линзы, пластины. 
К работе на оборудовании и лабораторных установках допускаются студенты, ознакомившиеся с настоящими методическими 
указаниями к выполнению лабораторной работы, прошедшие ин

структаж по технике безопасности, изучившие инструкцию и расписавшиеся в Журнале учета прохождения студентами инструктажа по технике безопасности. 
Правила техники безопасности приведены в приложении 1. 
Образец формы лабораторного протокола представлен в приложении 2. 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

Лазерная абляция — удаление макроскопического количества вещества с поверхности облучаемого лазерным излучением 
материала [1]. Лазерная абляция происходит в результате конкурирующих опто-теплофизических и газодинамических процессов:  
• испарение; 
• термоупругое разрушение;  
• различные фотохимические процессы;  
• фотодинамические процессы;  
• развитие ударных волн.  
Каждый из этих процессов можно характеризовать скоростью 
лазерной абляции — толщиной удаляемого слоя вещества в единицу времени или в результате однократного импульса воздействия.  
В случае когда скорость удаления вещества подчиняется закону  
Аррениуса и ее абсолютные величины составляют 
*
12
10
...


h
 
…
10
10
м/имп.,

 а сам процесс не носит взрывного характера, говорят о лазерной десорбции. Под абляцией, как правило, понимают удаление вещества с облучаемой поверхности с характерными 
скоростями более 
*
9
10
м/имп.


h
 Этот процесс имеет взрывной 
характер. Особенности лазерной абляции зависят от типа материала мишени, состава окружающей среды, но наиболее сильное влияние на нее оказывают характеристики лазерного излучения:  
• интенсивность;  
• длина волны;  
• длительность и частота следования импульсов. 
Лазерная абляция используется для нано- и микрообработки 
материалов, очистки поверхностей и создания на них специальных 
структур, для анализа элементного состава материалов, нанесения 
покрытий методами плазменного напыления и прямого переноса 
пленок, генерации плазменных потоков как источников излучения, 
заряженных частиц, тяги. 
При воздействии лазерного излучения с высокой плотностью 
энергии (
5
,

a
W
W
 где Wa — пороговое для абляции значение 
плотности энергии лазерного излучения) в объеме конденсированной мишени может происходить фазовый взрыв, приводящий 
к возрастанию скорости абляции более чем на 
6
10
 м/имп.

 Скорость абляции обусловлена механизмом передачи энергии лазерного излучения веществу мишени, который может быть оптиче

ским (эффективный коэффициент поглощения эф зависит от глубины поглощения излучения с заданной длиной волны) и тепловым (эф зависит от электронной теплопроводности). 
Воздействие лазерного излучения на твердотельные мишени в 
газах ограничено по максимальной плотности мощности, определяемой порогом оптического пробоя и энергией ионизации данного газа. Порог оптического пробоя газа при давлении 
3
10 Па

p
 в 
ряде случаев оказывается ниже порога абляции вещества конденсированной мишени, поэтому высокие плотности мощности воздействующего излучения на поверхности мишени могут быть достигнуты только в вакуумных условиях 
2
(
10 Па).

p
 Расширение 
продуктов абляции в атмосфере и вакууме имеет различный характер, который обусловлен газодинамическим (и ряде случаев 
химическим) взаимодействием с буферной средой. Существенное 
влияние на энергетические пороги лазерной абляции также оказывает наличие примесей, дефектов или различных поглощающих 
присадок. 
Известно несколько методов определения энергетических порогов лазерной абляции, основанных как на прямых, так и на косвенных измерениях. К прямым измерениям относят измерения 
формы абляционного кратера (глубина и диаметр) или массы удаленного вещества в результате как однократного, так и многократного воздействия, проводимые с помощью:  
• профилометрии;  
• оптической, интерференционной, атомно-силовой, сканирующей электронной микроскопии;  
• зондирования пучками высокоэнергетичных квантов;  
• измерения массового расхода по результатам взвешивания 
мишени до и после воздействия излучения;  
• взвешивания вещества, осаждаемого из абляционного потока, 
с использованием кварцевых кристаллических весов.  
К косвенным измерениям относят измерения:  
• интенсивности массовых и атомно-эмиссионных спектров;  
• энергии ударно-волнового фронта акустическими или теневыми методами; 
• импульса отдачи с применением датчиков силы, баллистических или торсионных маятников.  
Применение того или иного метода измерения определяется 
его доступностью и целью исследования. Прямые методы измере

ния более физически обоснованы, однако зачастую существенно 
более трудоемки, чем косвенные. Кроме того, для анализа нередко 
используют данные, полученные в результате нескольких последовательных воздействий, что не дает сведений о флуктуации глубины кратера (массового расхода) при аналогичных параметрах 
воздействия и может приводить к занижению получаемых значений вследствие обратной конденсации испаренного вещества на 
поверхности мишени, доля которой может достигать 25 %. Результаты косвенных измерений также могут искажаться различными 
эффектами накопления, связанными, например, с изменением оптических и теплофизических свойств поверхности и приповерхностной зоны мишени. 
Ввиду малой глубины абляционного кратера, образующегося 
при однократном облучении поверхности, для определения скорости абляции часто используют экспериментальные данные, полученные в результате многократного лазерного воздействия, в том 
числе при частоте следования импульсов излучения до 1 кГц. Однако такие данные могут быть некорректны из-за эффектов накопления, которые проявляются как в изменении оптико-теплофизических свойств повторно облучаемой поверхности вследствие нагрева, 
фазовых и фотохимических превращений, так и в возникновении в 
приповерхностной зоне мишени областей, изменяющих параметры 
лазерного импульса (например, экранирование лазерного излучения 
разлетающейся плазмой от предыдущего импульса). В то же время 
анализ глубины и формы кратеров, образовавшихся в результате 
воздействия пакета (не менее 105) лазерных импульсов, позволяет 
регистрировать минимальные скорости абляции вплоть до элементарных (атомарных или молекулярных) слоев. 
Метод количественного определения энергетического порога 
лазерной абляции непрозрачных твердотельных сред при воздействии лазерного излучения, который используется при выполнении 
данной работы, основан на том, что по мере увеличения энергии 
импульса излучения пороговая для абляции плотность энергии достигается в большем объеме вещества мишени. Под непрозрачными понимают среды со спектральным линейным коэффициентом 
поглощения  > 1 мм–1 на длине волны воздействующего лазерного 
излучения (т. е. излучение с данной длиной волны ослабляется в 
е раз при прохождении слоя вещества толщиной менее 1 мм). 
Такая методика определения порогов абляции основана на 
предположении, что интенсивность излучения ослабляется экспо

ненциально по мере проникновения в глубину мишени в соответствии с законом Бугера — Ламберта — Бэра: 

  

эф
1 ln
,
 
a
W
h
W
 
(1) 

где h — локальная глубина кратера, м; эф — эффективный коэффициент поглощения, м–1; W и Wa — действующая и пороговая для 
абляции плотность энергии лазерного излучения, Дж/см2. 
Порог абляции находят по месту пересечения интерполяционной прямой зависимости массового расхода абляции от плотности 
энергии лазерного излучения (в полулогарифмических координатах) с осью абсцисс (рис. 1).  

 

Рис. 1. Зависимость массового расхода абляции m с поверхности мишени от плотности энергии лазерного излучения W 

Порог определяется, таким образом, с некоторой погрешностью, 
обусловленной не только погрешностью регистрации размеров 
кратера, но и погрешностью расчета эффективного линейного 
поглощения вещества мишени. Чем меньше этот коэффициент, 
тем меньше угол наклона интерполяционной прямой к оси абсцисс и выше абсолютная погрешность определения порогового 
значения. 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ  
УСТАНОВКИ 

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2, а. 
Для выполнения калибровки калориметр 7 устанавливают за фокусирующей линзой 4 на расстоянии, не превышающем половину ее 
фокусного расстояния. Фотоприемник 8 подключают к входу осциллографа 1 с рекомендованным производителем фотоприемника 
волновым сопротивлением. Временную развертку осциллографа 
устанавливают от 2 до 5 длительностей импульса лазерного излучения (при необходимости затем корректируют). При использова
 

Рис. 2. Экспериментальная установка: 
а — оптическая схема; б — общий вид (лазер не показан); 1 — осциллограф;  
2 — лазер; 3 — светоделительная пластина; 4 — фокусирующая линза; 5 — ми- 
  
шень; 6 — измеритель энергии; 7 — калориметр; 8 — фотоприемник  

нии в качестве фотоприемника другого калориметра его подключают аналогично калориметру 7. При выполнении измерений калориметр 7 убирают из оптической схемы. Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 2, б. 

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 

Задание. Экспериментально определить энергетический порог 
лазерной абляции непрозрачных сред (металлических и диэлектрических образцов). 
Перед включением лазерного излучения все находящиеся в 
помещении люди должны надеть соответствующие защитные 
очки (см. приложение 1)! Помните, что эти очки защищают 
глаза от отраженного и рассеянного, но не от прямого попадания лазерного излучения! 
Лабораторная работа состоит из нескольких этапов. 
Этап 1. Калибровка контрольного фотоприемника. 
Для определения энергии лазерного излучения, воздействующего на мишень, выполняют калибровку контрольного фотоприемника 8 (см. рис. 2). Для этого энергию импульса излучения измеряют непосредственно с помощью преобразователя измерительного термоэлектрического лазерного излучения (калориметра 7), 
который устанавливают после фокусирующей линзы 4.  
Изменяя энергию лазерного излучения с шагом не более 5 % от 
максимального значения, осуществляют регистрацию показаний 
калориметра 7 и фотоприемника 8. Полученные данные заносят в 
табл. П2.1 приложения 2, по ним строят калибровочную кривую 
(рис. П2.1) и выполняют линейную интерполяцию [2]: 

,


E
A
BU  

где E — энергия лазерного излучения по показаниям калориметра 7; U — максимальное значение сигнала фотоприемника 8;  
A, B — константы. 
Константы А и В рассчитывают методом наименьших квадратов: