Плавление и абляция поверхности

Фемтосекундная лазерная обработка материалов отличается принципиально от процессов, протекающих при наносекундных или более длинных импульсах. Основное отличие заключается в соотношении временных шкал: длительность фемтосекундного импульса (10⁻¹⁵ с) оказывается значительно меньше времени теплопереноса в материале, что приводит к неравновесной динамике электронного и атомного субсистем.

Энергетическое поглощение и начальная динамика

При взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с твердым телом, энергия излучения сначала поглощается электронной системой, создавая сильно возбуждённый электронный газ. В отличие от длинных импульсов, здесь:

  • Тепло не успевает перераспределяться к решетке, что исключает обычное термическое плавление в классическом смысле.
  • Концентрация возбужденных электронов может достигать долей от полной плотности электронов проводимости, что приводит к изменению оптических свойств материала в реальном времени.

Энергия, поглощенная электронами, через короткое время (~100–500 фс) передается решетке, вызывая ультрафемтосекундное перегревание кристаллической структуры.

Ультрабыстрое плавление

Ультрабыстрое плавление характеризуется следующими особенностями:

  • Неравновесное состояние: решетка ещё не успела достичь термодинамического равновесия с электронным газом, но критическая температура плавления может быть локально превышена.
  • Кооперативный характер разрушения: вместо постепенного плавления происходит резкая потеря порядка кристаллической решетки на глубинах порядка десятков нанометров.
  • Временные шкалы: процесс занимает от сотен фемтосекунд до нескольких пикосекунд, что на несколько порядков быстрее обычного термического плавления.

Физическая модель такого плавления описывается двухтемпературной моделью (TTM), где рассматриваются отдельно электронная и решеточная температуры:

$$ C_e \frac{\partial T_e}{\partial t} = -G (T_e - T_l) + S(z,t) $$

$$ C_l \frac{\partial T_l}{\partial t} = G (T_e - T_l) $$

где Ce и Cl — теплоемкости электронов и решетки, Te и Tl — температуры электронов и решетки, G — коэффициент электрон-решетка, S(z, t) — источниковый член, задающий поглощение энергии лазера.

Абляция поверхности

Абляция — это процесс удаления материала с поверхности под действием интенсивного фемтосекундного импульса. Ключевые особенности фемтосекундной абляции:

  1. Инерциальный характер: за время действия импульса материал не успевает рассеять тепло вглубь, поэтому расплавленная зона ограничена несколькими десятками нанометров.
  2. Неэквилибриумные эффекты: удаление вещества может происходить через прямое испарение или фотодиссоциацию ковалентных связей.
  3. Кавитация и ударные волны: быстрое расширение горячей зоны может генерировать ударные волны, приводя к образованию нанопузырьков и структурных изменений на поверхности.

Глубина абляции Δz при фемтосекундных импульсах обычно описывается логарифмической зависимостью от флюенса:

$$ \Delta z = \alpha^{-1} \ln \left( \frac{F}{F_{th}} \right) $$

где F — флюенс импульса, Fth — пороговая флюенс для абляции, α — коэффициент поглощения.

Разделение процессов плавления и абляции

Одним из ключевых открытий фемтофизики является разделение плавления и абляции по временам:

  • Плавление происходит практически мгновенно после поглощения энергии электронами.
  • Абляция проявляется через несколько пикосекунд, когда локальная температура и давление становятся достаточными для выброса вещества.

Такое разделение позволяет создавать контролируемые микроструктуры на поверхности материалов с высокой точностью, минимизируя тепловое повреждение окружающей области.

Влияние параметров лазера

Процессы плавления и абляции сильно зависят от:

  • Длительности импульса: более короткие импульсы снижают тепловое распространение и увеличивают чистоту обработки.
  • Флюенса: определяет порог перехода от плавления к абляции.
  • Повторения импульсов: многократное воздействие может приводить к накопительному эффекту, увеличивая глубину обработки и вероятность образования трещин.

Наноструктурирование поверхности

Фемтосекундная абляция позволяет создавать на поверхности:

  • Нанопористые структуры
  • Лазерные гребенки (LIPSS)
  • Локальные зоны модификации материала с заданной топографией

Эти эффекты являются следствием динамической перераспределенной энергии и быстрых фазовых переходов, происходящих на временной шкале фемтосекунд.

Оглавление