Экспериментальные результаты. Обработка наносекундными лазерными импульсами

Первые эксперименты по модификации поверхностей металлов с помощью лазерных импульсов наносекундной длительности были проведены более 30 лет назад. Проводились эксперименты с целью аморфизации и получения сверхмелкой кристаллической структуры. Тонкие аморфные слои (1500 Ао) на поверхности чистого Al были получены при облучении рубиновым лазером с интенсивностью порядка 108 Вт/см2 и длительности импульса порядка 15 нс [11]. При этом скорость охлаждения составила величину около 1010 К/с. Эта величина превышает рассчитанную для Al скорость для начала производства аморфной фазы [12]. В этом случае толщина аморфного слоя определяется скоростью продвижения фронта расплава (около 10 м/с). Аналогичный режим был использован в [13] для аморфизации Fe. Использовался импульсный СО2 лазер с интенсивностью порядка 5х108 Вт/см2 и длительностью импульса 120нс. Облучалось 11 сплавов с различными добавками B, Si, P и C. Толщины аморфного слоя составляли от 5 до 10 мкм. Скорость охлаждения была около 109 К/с, что существенно превышает критическую величину скорости аморфизации для железа (υc порядка 5х106 К/с) [12]. В случае, когда скорости охлаждения были ниже критической υ ~ 5x104 К/с образование аморфных слоев в железе не наблюдалось. В [14] наблюдалось формирование смешанной сверхмелкокристаллической структуры в Ni (аморфные и кристаллические участки наблюдались одновременно) при осуществлении режима охлаждения, близкого к критическому (105 К/с). Был реализован режим так называемого лазерного стеклования. Во всех экспериментах отмечалось, что критические скорости охлаждения для получения аморфной фазы зависят от состава сплава и чистоты металла.

Для этих целей был специально разработан импульсный твердотельный лазер с активной средой на основе YAG: Nd 3+, работающий в режиме модуляции добротности акустооптическим затвором [17]. Была проведена серия экспериментов с целью оптимизации параметров лазера [18]. Схема твердотельного лазера представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема твердотельного лазера с диодной накачкой: 1- полупроводниковый лазер, 2- термоэлектрический холодильник, 3- фокусирующая оптика, 4- кристалл YAG:Nd, 5- акустооптический модулятор, 6- выходное зеркало, 7- коллиматор

Использование компактных и эффективных лазеров с диодной накачкой, имеющих высокое качество пучка в одномодовом режиме позволило провести эксперименты по лазерной модификации индиевого припоя для повышения эффективности отвода тепла от кристаллов мощных лазерных диодов [19]. Плотность энергии в импульсе составила 0,1 Дж/ и длительность импульса - 6,5 ns. На рис.4 представлена снятая с помощью сканирующего электронного микроскопа структура поверхности индиевого припоя до и после облучения.

Рис. 4. СЭМ структура пленки In толщиной 2,7 мкм до (слева) и после (справа) лазерной обработки YAG:Nd лазер с диодной накачкой.

Из приведенных снимков видно, что In пленка приобретает признаки аморфной структуры (лазерное стеклование). При этом типичный размер наблюдаемых дефектов составляет величину от 100 nm до 1 µm.

За счет модификации структуры пленки припоя непосредственно перед монтажом лазерного кристалла удалось существенно повысить выходную мощность диодных лазеров [19-20]. Лазерно-модифицированные In припои позволили воспроизводимо получать высокие параметры излучения мощных лазерных диодов на длине волны 808 нм.

Таким образом, полученные результаты по исследованию структуры металлов после обработки лазерными импульсами свидетельствуют об образовании более однородной мелкодисперсной структуры с размерами зерен порядка нескольких нанометров.

Для оптимизации режима лазерного наноструктуирования необходимо знать время и скорость нагрева и охлаждения, объем жидкой и кристаллической фаз, а также уметь определять средний размер кристаллитов. При этом следует помнить, что все перечисленные параметры зависят от параметров лазерного импульса и термодинамических характеристик материала.

Поиск по сайту: