Абляция материалов под действием лазерного излучения
Абляция — это процесс удаления вещества с поверхности материала в результате локализованного воздействия энергии, в данном случае — лазерного излучения. При облучении материала лазером с высокой плотностью мощности происходит быстрое поглощение энергии в поверхностных слоях, что приводит к нагреву, плавлению, испарению и, при достижении определённых порогов, к ионизации вещества с последующим выбросом вещества с поверхности. Этот процесс сопровождается сложным взаимодействием между тепловыми, механическими, фотонными и плазменными эффектами.
Лазерная абляция может протекать по нескольким механизмам, в зависимости от параметров лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, плотность энергии) и свойств материала (коэффициент поглощения, теплопроводность, теплоёмкость, оптическая прозрачность и др.). Различают фототермическую, фотоакустическую, фотохимическую и плазменную абляцию.
Существует определённый порог плотности энергии лазерного импульса, при превышении которого начинается удаление материала — порог абляции. Он зависит от типа материала и характеристик лазера. Пороговая плотность энергии обычно выражается в Дж/см² и варьируется в широком диапазоне: для металлов она составляет порядка 1–10 Дж/см², для диэлектриков — до сотен Дж/см² при фемтосекундных импульсах.
Порог абляции связан с глубиной проникновения лазерного излучения и характером его поглощения. Например, в случае ультракоротких импульсов происходит локализованное поглощение без значительного теплового распространения, что снижает потери и увеличивает точность процесса.
Длительность лазерного импульса оказывает ключевое влияние на режим абляции. При импульсах в наносекундном и микросекундном диапазоне происходят значительные тепловые эффекты: образуется расплавленный слой, расширение которого может приводить к механическим напряжениям и микротрещинам.
При переходе к пикосекундным и фемтосекундным импульсам процесс приобретает преимущественно неравновесный характер. Поглощение фотонов происходит быстрее, чем успевает развиться тепловая диффузия, поэтому практически всё поглощённое излучение идёт на ионизацию и деструкцию вещества, без значительного теплового воздействия на окружающий объём. Это приводит к «холодной абляции», при которой достигается высокая точность и минимальная зона теплового влияния.
Происходит при относительно длинных импульсах, когда энергия излучения преобразуется в тепловую, нагревая материал. Сначала поверхность материала плавится, затем происходит испарение. При дальнейшем увеличении плотности энергии может возникнуть перегрев, взрывное кипение, образование пузырей и выброс вещества.
При быстром нагреве образуется тепловое расширение, сопровождаемое высокими механическими напряжениями. Это приводит к взрывному удалению вещества с поверхности. Эффект усиливается при коротких импульсах, когда тепловое расширение не успевает компенсироваться теплопроводностью, и возникает ударная волна.
Наблюдается при ультрафиолетовом лазерном излучении, особенно в полимерах. Энергия фотонов достаточна для разрыва химических связей без значительного повышения температуры. Преобладает в системах с высокой фоточувствительностью и низкой теплопроводностью.
При высоких плотностях энергии происходит ионизация поверхностного слоя, формируется плазма. Расширяющаяся плазма поглощает дальнейшее излучение, экранируя поверхность. Это может как уменьшать эффективность абляции, так и инициировать вторичные эффекты — например, ударные волны, дополнительно способствующие удалению вещества.
Металлы обладают высокой теплопроводностью и часто хорошей отражательной способностью, что усложняет абляцию. Для эффективного удаления материала требуется короткий импульс и высокая плотность энергии, чтобы преодолеть тепловые потери и отражение. Формирующаяся плазма может быть оптически плотной, снижая эффективность процесса.
Диэлектрики (стекло, керамика) характеризуются низким коэффициентом поглощения в видимом и ИК-диапазоне. Однако при ультракоротких импульсах возможны нелинейные механизмы поглощения, такие как многофотонная и лавинная ионизация. Это приводит к эффективной абляции даже прозрачных материалов.
Полимеры часто подвергаются фотохимической абляции в УФ-диапазоне. Механизм удаления вещества обусловлен разрушением макромолекул и последующим испарением фрагментов. Тепловые эффекты минимальны, особенно при малой длительности импульса.
Коротковолновое излучение (УФ, глубокий УФ) обеспечивает лучшее пространственное разрешение благодаря малой дифракционной границе и высокой степени поглощения рядом материалов, особенно диэлектриков и органических соединений. Ультрафиолетовые лазеры, такие как эксимерные, активно применяются в микрообработке, литографии и медицине.
Длинноволновые источники (ИК-диапазон, СО₂-лазеры) эффективны при работе с органическими соединениями, но требуют учёта высокой тепловой нагрузки и глубокой зоны воздействия.
Формирующаяся в процессе высокоинтенсивного облучения плазма может как усиливать, так и ослаблять абляцию. При достаточной плотности плазма становится непрозрачной для излучения и начинает экранировать поверхность, ограничивая глубину воздействия. Однако обратное излучение плазмы и её расширение могут вызывать дополнительные механические эффекты, способствующие выбросу вещества.
В системах с фемтосекундными импульсами формирование плазмы происходит после завершения импульса, что предотвращает экранирование и делает процесс более предсказуемым.
Абляция сопровождается образованием кратеров, изменением морфологии поверхности, внутренними напряжениями и микротрещинами. Эти эффекты особенно выражены при тепловом механизме и длинных импульсах. Для уменьшения побочных эффектов применяются фемтосекундные лазеры и мультиимпульсные режимы с контролем плотности энергии.
В ряде случаев, например при создании микроструктур, нанопористых покрытий или текстурированных поверхностей, термомеханические эффекты используются целенаправленно.
Абляция может проводиться в различных средах: вакууме, атмосфере, инертном газе, в жидкости. Среда влияет на охлаждение, распространение плазмы, повторную конденсацию выброшенных частиц, качество обработки и чистоту процесса. Например, вакуум уменьшает экранирование плазмой, жидкости предотвращают перегрев и снижают количество выбросов, газы могут способствовать удалению продуктов реакции.