Теоретическое моделирование процессов поверхностной обработки материалов импульсами лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗАВЕСТОВСКАЯ Ирина Николаевна

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

ИМПУЛЬСАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.21 - «Лазерная физика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 8 ноя ті

Москва 2012

005054450

005054450

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

академик РАН Сурис Роберт Арнольдович Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Конов Виталий Иванович, Центр естественно-научных исследований ИОФ РАН

доктор физико-математических наук, профессор Макаров Владимир Анатольевич Физический факультет МГУ

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук

Защита состоится «26» ноября 2012 г. в 12.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.023.03 при Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук по адресу: 119991 Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Автореферат разослан «_»_2012 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 002.023.03 доктор физико-математических наук,

профессор A.C. Шиканов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лазерные технологии, в том числе, лазерные технологии поверхностной обработки материалов, развиваются более 50 лет, практически со дня создания лазеров [1-8]. Во время действия лазерного импульса (ЛИ) энергия излучения сначала поглощается электронами в области проникновения излучения в вещество, затем за счет теплопроводности передается вглубь материала и в решетку посредством электрон-фононного взаимодействия. При достаточно высоких интенсивностях лазерного излучения в материалах могут наблюдаться структурные и фазовые изменения, такие как полиморфные превращения, плавление, испарение с возможным образованием лазерной плазмы и абляция с удалением с поверхности атомов или отдельных фрагментов исходного материала. Диапазон интенсивностей в лазерной технологии очень широк от 104 до 1014 Вт/см2 и определяется параметрами материала и технологическим процессом. Соответственно широк диапазон длительностей лазерных импульсов: от миллисекунд - до фемтосекунд. Выбор режима определяет вид технологической обработки. В настоящее время разработаны и применяются различные виды технологических процессов лазерной обработки: от лазерного упрочнения поверхности, резки и сварки материалов до лазерного письма и маркировки, получения наноструктур на поверхности и внутри материала, а также наночастиц вне него. Развитие лазерной техники открывает все новые возможности для существующих лазерных технологий и выдвигает на первый план новые технологии импульсной лазерной обработки. На каждом этапе появления новых технологий возникают ключевые вопросы, требующие исследования. Кроме того, интенсивный рост внедрения методов поверхностной лазерной обработки материалов в производство и медицину делает все более актуальной проблему оптимизации режимов лазерного воздействия. Оптимизация включает в себя выбор для каждого конкретного материала способа лазерного воздействия и параметров лазерного импульса с целью контролируемого и воспроизводимого получения структуры с требуемыми физическими и механическими свойствами. Решение указанных задач выдвигает на первый план изучение особенностей фазовых и структурных превращений в материалах при лазерном воздействии.

Диссертационная работа, посвященная теоретическому исследованию фазовых и структурных превращений в материалах при обработке их ЛИ, определению технологических характеристик и оптимальных параметров лазерного воздействия, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.

Целью работы является выявление физической картины процессов, лежащих в основе технологий поверхностной обработки материалов ЛИ, построение на основе этих исследований теоретических и численных моделей для оптимизации режимов лазерного воздействия (выбора интенсивности и длительности лазерного импульса). В качестве объектов исследования были выбраны физические процессы, лежащие в основе лазерных технологий в широком диапазоне параметров лазерных импульсов: длительностей лазерных импульсов г (от миллисекунд до фемтосекунд) и интенсивностей д (от 102 Вт/см2 до 1014 Вт/см2). Основными методами исследования в данной работе явились теоретические и численные методы, позволяющие получать зависимости технологических параметров от параметров лазерного режима с учетом термодинамических характеристик материала. На момент постановки задачи были экспериментально установлены основные закономерности фазовых и структурных превращений в материалах под действием ЛИ различной интенсивности и длительности, а также накоплен материал в области теоретического исследования. Однако оставался ряд принципиальных вопросов, требующих глубокого и комплексного исследования: изучение кинетики полиморфного превращения в сталях при лазерном нагреве (лазерная закалка сталей): д ~ (102 - 103) Вт/см2, г ~ (1-10) мс; моделирование глубокого проплавления металлов при лазерной сварке: д ~ (104 - 106) Вт/см , г ~ (1-10) мс; изучение особенностей абляции ультракороткими лазерными импульсами металлов: д ~ (1012 - 1013) Вт/см2, г ~ (100фс-10пс) и полимеров: д ~ (107 - 1012) Вт/см2, г ~ (300фс-20нс), нелинейного поглощения в широкозонных полупроводников и диэлектриков: д ~ (1013 - 1014) Вт/см2, т~ 100 фс, а также изучение особенностей сверхбыстрой кристаллизации металлов, приводящей к образованию нанокристаллических структур на поверхности. Для режима лазерной нанокристаллизации металлов возможно использование длительности импульса от миллисекунд до фемтосекунд в зависимости от материала, его свойств и структуры.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые: 1. Построена теоретически модель процессов, определяющих импульсную лазерную закалку сталей, а именно процесс аустенитизации сталей при лазерном нагреве, включающая в себя самосогласованное решение уравнений теплопроводности, кинетического уравнения роста новой фазы при полиморфном превращении и диффузии углерода, а также пластической деформации. Модель позволяет определять глубину и твердость упрочненного слоя в зависимости от параметров лазерного режима для широкого круга сталей.

2. Предложен и проанализирован цикл термообработки сталей и сплавов, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения. Трехстадийный цикл позволяет обеспечить необходимую степень аустенитизации стали при нагреве и требуемый для упрочнения размер кристаллических зерен структуры и является оптимальным для лазерной закалки сталей.

3. Предложена теоретическая модель лазерной сварки металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления, основанная на необходимости профилирования лазерного импульса с целью образования достаточного объема ванны расплава при низкой плотности лазерной энергии и обеспечения условий гидродинамического развития парогазового канала при увеличении интенсивности лазерного излучения до максимальных значений.

4. Получены аналитические выражения для порогов лазерной абляции металлов в режиме низких плотностей энергии ЛИ в зависимости от длительности лазерного импульса (для пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов). Определена критическая длительность лазерного импульса, меньше которой величина пороговой энергии лазерной абляции металлов ультракороткими ЛИ перестает зависеть от длительности лазерного импульса.

5. Определены глубины абляции и обоснованы термодинамические особенности абляции полимеров ультрафиолетовыми лазерными импульсами. Показано, что основная часть энергии удаленных (испаренных) частиц содержится во внутренних степенях свободы, что обуславливает эффект так называемой «холодной» абляции полимеров.

6. Определен порог абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости порога абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков от ширины запрещенной зоны с использованием туннельного механизма нелинейного поглощения лазерного излучения в диапазоне высокой интенсивности и фемтосекундной длительности лазерного излучения.

7. Получено аналитическое решение кинетического уравнения, описывающего рост кристаллической фазы в расплаве в условиях сверхбыстрого охлаждения, реализуемого при лазерном воздействии, позволяющее определить размер кристаллического зародыша, относительный объем кристаллической фазы и критическую скорость охлаждения, при которой возможно образование аморфной фазы.

Научная и практическая значимость работы.

В результате проведенных исследований решена крупная научная проблема по созданию целостной картины фазовых и структурных превращений в поверхностных слоях материалов при воздействии на них лазерных импульсов, а также оптимизации режимов основанных на них лазерных технологий, объяснен ряд новых физических эффектов, характерных для исследованных процессов. Разработанные в работе новые модели механизмов, лежащих в основе различных лазерных технологий, могут применяться как самостоятельно, так и совместно с другими численными методами исследования лазерных технологий и позволяют получать новые знания о механизмах взаимодействия лазерных импульсов различной длительности с материалами. Внедрение предложенного автором трехстадийного теплового цикла с целью лазерной закалки сталей было реализовано в Самарском филиале ФИАН, г. Самара (Россия) и Институте физики твердого тела, г. Дрезден (Германия). Работы по моделированию процессов глубокой сварки металлов миллисекундными ЛИ проводились в сотрудничестве с Самарским филиалом ФИАН, а также с Университетами г. Нагойя и г. Осака (Япония). Работы по теоретическому моделированию лазерной абляции металлов и полимеров ультракороткими лазерными импульсами проводились в рамках совместного научного проекта с Лазерным центром г. Ганновера (Германия), работы по лазерному наноструктуированию - в сотрудничестве с группой полупроводниковых лазеров ФИАН, г. Москва (Россия). Результаты исследования механизмов лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков мощными фемтосекундными ЛИ позволили дать правильную интерпретацию экспериментальных результатов, полученных в Университете Нью Мехико, г. Альбукерке (США). Отличительной особенностью проведенных теоретических исследований была нацеленность на сочетание использования численных методов исследования и создание пакетов компьютерных программ с получением аналитических выражений, описывающих технологические характеристики процесса, использование которых облегчает сравнение с экспериментальными результатами и позволяет прогнозировать выбор оптимальных режимов лазерного воздействия. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации режимов применяемых лазерных технологий, при развитии новых методик лазерных технологий или для расширения области применения исследованных лазерных технологий.

Личный вклад автора. Основные результаты работы получены автором лично или при его определяющем участии.

Научные положения, выносимые на защиту: ПОЛОЖЕНИЕ 1. Модель лазерной закалки сталей, основанная на самосогласованном рассмотрении при лазерном нагреве процессов теплопроводности, кинетики аустенитного превращения, диффузии углерода и легирующих примесей, включая распад карбидной фазы, а также пластической деформации. Модель позволяет (теоретически и численно) при заданных параметрах режима лазерного воздействия (интенсивности и длительности лазерного импульса) определить для широкого круга сталей технологические параметры лазерной закалки сталей: глубину и твердость упрочненного слоя.

ПОЛОЖЕНИЕ 2. Новый цикл термообработки, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения, позволяющий увеличить время воздействия без снижения скорости нагрева и тем самым обеспечить необходимую для закалки степень полиморфного превращения. Трехстадийный цикл термообработки позволяет реализовать оптимальный цикл лазерной закалки сталей для широкого набора марок сталей.

ПОЛОЖЕНИЕ 3. Теоретическая модель сварки металлов импульсами ЛИ в режиме глубокого проплавления. Модель основана на необходимости формирования буферного объема ванны расплава на первом этапе нагрева при низких значениях интенсивности лазерного излучения, и затем, на втором этапе, при увеличении интенсивности лазерного излучения до его максимального значения обеспечение условий гидродинамического развития парогазового канала. Модель позволяет определить параметры оптимальной формы лазерного импульса, обеспечивающего режим глубокого проплавления.

ПОЛОЖЕНИЕ 4. Результаты теоретического исследования абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии, позволившие определить аналитические выражения для пороговых значений лазерного потока абляции и температуры решетки для двух диапазонов длительностей ЛИ - пико- и фемтосекундных длительностей. Показано, что для каждого металла существует величина длительности импульса лазерного излучения, меньше которой порог абляции не зависит от длительности импульса ЛИ.

ПОЛОЖЕНИЕ 5. Результаты теоретического исследования гидродинамики лазерной абляции полимеров ультракороткими ЛИ, основанные на рассмотрении абляции полимера как процесса фазового перехода I рода и позволившие определить термодинамического состояние продуктов абляции полимера.

Показано, что продукты абляции полимеров находятся в возбужденном состоянии, что позволяет объяснить так называемый эффект «холодной» абляции полимеров под действием ультракоротких лазерных импульсов.

ПОЛОЖЕНИЕ 6. Результаты теоретического исследования лазерной абляции прозрачных материалов с использованием интенсивного лазерного излучения порядка десятков ТВт/см2 и фемтосекундных импульсов. Показано, что в указанном диапазоне интенсивностей и длительностей лазерного излучения реализуется туннельный механизм нелинейного поглощения света для широкозонных полупроводников и диэлектриков, получено аналитическое выражение для порога абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости величины порога абляции от ширины запрещенной зоны.

ПОЛОЖЕНИЕ 7. Результаты по теоретическому исследованию кинетики кристаллизации металлов из расплава при сверхбыстрых скоростях охлаждения, реализуемых при обработке материалов лазерными импульсами. Получено аналитическое решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам при сверхбыстрых скоростях охлаждения, позволившее определить размеры образующихся кристаллических зерен и относительный объем закристаллизовавшейся фазы, а также критическую скорость охлаждения, превышение которой приводит к образованию аморфной фазы.

Приоритет результатов. Все полученные автором научные результаты, вынесенные на защиту, получены впервые.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах: Всесоюзная конференция по применению лазеров в народном хозяйстве, Россия, Звенигород (1985); Всесоюзный научно-технический симпозиум «Повышение износостойкости и усталостной прочности деталей машин обработкой концентрированными потоками энергии, Россия, Звенигород (1985); 5 Wissenschaftliche Konf. Rationalisierung im Maschinenbau, Zwickau, DDR (1985); 5Ü1 Int. Conference on Laser and Applications, Dresden, DDR (1985); Всесоюзная научно-техническая конференция, Гомель, Белоруссия (1985), г. Телави, Грузия (1987); XI Всесоюзная конференция «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов», Куйбышев, (1986); LAMP'92, Nagaoka, Japan (1992); ECLIM: Italy (1998), Russia (2002), Spain (2006), Hungary (2010); Poland (2012); HPLA, USA (2000), (2002), (2010); 11ft International Conference on Plasma Physics, Australia (2002); FPPT, India (2002), Thailand (2007), Nepal (2009); APCOM, Russia

(2002), (2004), (2006), (2011), China (2005), Japan (2008), Korea (2010); COLA: Greece (2003), Spain (2007), Singapore (2009); International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, France (2005), (2011); 16th International Laser Physics Workshop, Mexico (2007); Полупроводниковые лазеры: физика и технология, Санкт-Петербург, Россия (2008), (2010); Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, Россия, Звенигород (2007), Москва-Звенигород (2009), (2011); 14th International Conference "Laser Optics 2010" Sankt-Petersburg (2010), а также ряде других.

Результаты работы, как в целом, так и отдельные ее части докладывались на семинарах Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Физического факультета МГУ, Института физики твердого тела (Дрезден, Германия), Университета г. Штутгарта (Германия). Хериотт-Ватт Университета в Эдинбурге (Великобритания), Университетах гг. Нагойя и Осака (Япония).

Публикации. По материалам диссертации получено авторское свидетельство, опубликовано 77 работ в научных журналах, сборниках и трудах российских и международных конференций, из них в рецензируемых журналах - 26. Основные публикации приведены в конце автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 221 страницу, включая 70 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 77 наименований авторских публикаций и 220 наименований цитируемой литературы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены теоретические модели, описывающие два вида лазерной термообработки металлов и сталей при обработке их импульсами ЛИ, длительность которых лежит в миллисекундном диапазоне («длинными» импульсами): процессы лазерной закалки сталей в режиме без оплавления поверхности (§§1.1-1.5) и лазерной сварки в режиме глубокого проплавления (§1.6). В § 1.1 представлен анализ физических процессов, определяющих поверхностную закалку металлов и сплавов, и обосновывается выбор теоретической модели. На момент постановки задачи в литературе были экспериментально установлены основные особенности процесса лазерной закалки сталей [4-6].

Лазерная закалка сталей включает в себя процесс аустенитизации при нагреве, состоящий из полиморфного превращения фаз a-Fe в y-Fe с одновременным насыщением у-фазы углеродом, и мартенситное превращение при охлаждении, сопровождаемое дополнительным измельчением блоков с размерами < 30 нм и увеличением плотности дефектов, что обуславливает высокую твердость и прочность мартенсита (твердость увеличивается в 5-8 раз).

Рис. 1.2. Схема лазерной закалки: Ф= a-Fe + 0.02%С - феррит, К= Fe3C -карбиды, А= y-Fe + 0.8%С - аустенит, М= a-Fe + 0,24%С — мартенсит, Б-бей-нит, П - перлит, ТА„ ТАк Тм„, Тмк - температуры начала и конца аустенитного (Ф+К—+А) имартенситного (А—*М) превращений.

В режиме лазерной закалки реализуются высокие скорости нагрева и охлаждения (до 10бК/с). Большие скорости лазерного охлаждения позволяют избежать нежелательных процессов распада аустенита при охлаждении на мягкие структуры, и кинетика процесса лазерной закалки сталей определяется кинетикой процесса аустенитизации в течение лазерного нагрева. Установлено, что большие скорости нагрева приводят к особенностям лазерной аустенитизации: 1) «лазерная» аустенитизация происходит намного быстрее, чем при тех же температурах в печах или ваннах (так называемая «атермическая» аустенитизация); 2) при быстром лазерном нагреве возникают большие внутренние механические напряжения; 3) с ростом скорости нагрева наблюдается повышение температуры начала аустенитного превращения. В диссертации представлена предложенная автором модель лазерной аустенитизации, которая позволила объяснить все из перечисленных особенностей. В § 1.2 исследована кинетика процесса лазерной аустенитизации сталей. Процесс аустенитизации при лазерном нагреве рассматривается как протекающий в два этапа: 1) полиморфное а—>у - превращение с

г„„

Ти.

заданной концентрацией углерода, обычно меньшей, чем требуется в равновесном состоянии аустенита; 2) диффузионное насыщение образующихся зерен ау-стенита углеродом за счет растворения карбидов. Рост новой фазы описывается уравнением [9]:

где Д/- изменение удельной свободной энергии при появлении зародыша новой фазы, И - скрытая теплота превращения, V — характеристическая частота порядка частоты Дебая, а - расстояние, проходимое атомом при переходе границы раздела, соответствующее параметру решетки, АЕ - энергия активации перехода атома через границу раздела фаз, Т0=ТАи - температура начала аустенитного превращения. Было показано, что так называемое ускорение аустенитизации при лазерном нагреве сталей связано с тем, что время образования зародыша новой фазы критического размера гс обратно пропорционально скорости нагрева и составляет величину порядка 10"5с (в зависимости от типа стали), что существенно меньше длительности лазерного импульса г ~ (103 10) с. Время /„ необходимое для формирования зерен аустенита (максимальный размер зерна гт соответствовал полурасстоянию между двумя центрами зародышей) зависит от типа стали. Для углеродистых сталей это время меньше или сопоставимо с длительностью лазерного импульса, а для сложных легированных сталей составляет величину = 2с намного больше величины длительности лазерного импульса т. Такие же значения были получены для времени достижения требуемой концентрации углерода в образующихся зернах у- фазы при развитии их от границ цементитной фазы. В последнем случае импульсный лазерный нагрев не может обеспечить образование аустенитной структуры по всей глубине лазерного воздействия. Необходимо или измельчать исходную структуру или увеличить время теплового воздействия. Учет всех процессов, определяющих кинетику аустенитизации, позволил сделать вывод о необходимости введения дополнительного времени выдержки при лазерном воздействии. Был предложен режим трех-стадийного теплового цикла (см. §1.5), сочетающий стадии высокоскоростного нагрева и охлаждения и увеличение времени нагрева за счет наличия стадии выдержки (рис.1.1). Интервал изотермической выдержки должен соответствовать требуемой степени завершенности всех необходимых полиморфных и диффузионных процессов, а большие скорости нагрева обеспечивают, наличие большого количества зародышей новой фазы, что определяет размер получающихся зерен.

(1-1)

В § 1.3 исследована роль внутренних механических напряжений при лазерной аустенитизации сталей и последующей закалке. Большие скорости лазерного нагрева приводят к значительным температурным напряжениям аг, а сопутствующие при достижении критической температуры полиморфные превращения - к напряжениям, обусловленным различием удельных объемов и коэффициентов линейного расширения сосуществующих фаз (фазовые напряжения ар). Величина механических напряжений <т= ат + о> может достигать значений порядка сгт ~ ар ~10шдин/см2, т.е. стать больше критического напряжением течения ас в данном материале (107 дин/см2 - 3-Ю9 дин/см2), что приводит к развитию микропластической деформации. За время лазерного воздействия, которое составляет длительность порядка 10"3+10"2 с, величина плотности дислокаций

оК> ы\т{1-У) 3 (1 + „) Гв(0

1-у Л3

(1.2)

может достичь значений порядка 10 -=-10 см". Здесь/- путь, проходимый дислокацией при деформации, 1мм, Л'д — концентрация дислокаций, участвующих в ПД, Ь - модуль вектора Бюргерса, 6=4-10"8 см, с - величина относительной деформации, б - модуль сдвига, а - коэффициент линейного расширения, V -коэффициент Пуассона, АУа^у(1)/ Уа(1) - относительное изменение удельного объема при фазовом превращении. Образование высокой плотности дефектов при лазерном воздействии является физическим обоснованием наблюдаемого экспериментально в инструментальных сталях явления «лазерного» наклепа, когда мартенситная фаза не образуется, а твердость в обрабатываемом слое существенно увеличена [А5Д0]. В § 1.4 проанализированы причины наблюдаемого экспериментального], смещения температуры начала аустенитного превращения Тан в сталях при скоростном лазерном нагреве. При нагреве сталей лазерным излучением в импульсном режиме смещение температуры Тан может быть значительным, что сокращает температурный интервал закалки стали без оплавления и может снизить эффективность закалки. В нашей модели повышение температуры начала аустенитного превращения с ростом скорости нагрева гн является результатом релаксационного характера полиморфного а—>у- превращения. При и/ИТ» I и при условии £/=соп51, было получено:

-и^п тл и

С

(1.3)

где т0 период колебаний атомов около положения равновесия, сравнимый с обратной величиной частоты Дебая. Полученная зависимость соответствует экспериментальным результатам для углеродистых сталей [11]. В § 1.5 дан теоретический и численный анализ оптимальных режимов лазерной закалки сталей. Для анализа режимов лазерного упрочнения сталей и их оптимизации мы рассматриваем совместное решение численно реализуемой системы уравнений: уравнение теплопроводности, описывающее трехстадийный температурный цикл обработки; кинетическое уравнение для радиуса растущей у-фазы железа (1.1); уравнение диффузии углерода, описывающего перераспределение углерода в процессе полиморфного превращения с учетом изменения размера карбидной фазы. Основные особенности тепловых процессов в сталях при трехстадийном термическом цикле проанализированы нами в рамках одномерной задачи теплопроводности с тепловым источником, мощность которого изменяется во времени по определенному закону, обеспечивающему необходимый временной ход 777,). Был определен требуемый характер изменения плотности потока лазерного излучения со временем для реализации трехстадийного режима лазерного воздействия:

д(Л = 'МЗо. агс8щ

71 \ (

(1.4)

где время / изменяется в пределах 1т <(<(„,. /,„, 1„ -время нагрева до максимальной температуры и время выдержки, соответственно. Уравнения диффузии, описывающее перераспределение углерода при лазерной аустенитизации:

дс д

Ы дх

Ос ехр

Д££

ДГМ.

(дс 6с дТ (йх;+ ЙТ2 дх

с '

с, = —ехр--

Г I т

+ С,(ГМ) и

кТ(хЛ

Начальные и граничные условия:

= *лй)= с">х е ф = (Ан)=ск,хеК

дс дх

= 0

0 < х < хт

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Здесь с - концентрация углерода в у-фазе, ДЕ/ и О,. - энергия активации и коэффициент диффузии углерода соответственно, С/(Т(х,ф - увеличение концентрации углерода за счет распада карбидов, ск— концентрация углерода в карбидах,

13

т — время распада карбидов, и - энергия активации распада карбидов, са - концентрация углерода в а-фазе в момент времени 1л„\х -хГ, соответствующий началу полиморфного а—>у-превращения. Было установлено, что для углеродистых и инструментальных сталей закалка на мартенсит осуществляется при различных временах выдержки. Аналогичные различия были установлены и в скорости и величине концентрации углерода. Учет диффузии приводит к поправке и при определении глубины закаленного слоя. Глубина зоны закалки х3 определяется как область теплового воздействия х-р, в которой завершился процесс образования зародышей у-фазы (хк) и концентрация углерода имеет требуемое значение (хс). Был проведен сравнительный анализ экспериментально определенных значений глубины упрочненной зоны (Ьэкс) [10] в зависимости от величины плотности лазерной энергии и рассчитанных изотерм.

210 230 250 270

Гт

-J_:_i_1_I_I_1_1_

100 300 600 700 ¡/j

Рис. 1.2. Сравнение эксперименталь- Рис. 1.3. Экспериментальные (сплошная ных значений и рассчитанных вели- линия) и результаты расчета (пунк-чин глубины упрочнения стали Р18 в тирная линия) твердости стали AISI-зависгшости от величины плотно- 4340 по глубине после обработки ласти лазерной энергии. Длительность зерными импульсами, длительностью лазерного импульса Юме 10 мс, для двух значений интенсивности ЛИ (1- 7.1 Вт/см2, 2- 7.5 Вт/см2).

На рис. 1.2 представлена последовательная коррекция рассчитываемого размера упрочненного слоя, результаты представлены для быстрорежущей стали Р18, длительность лазерного импульса Юме. Видно, что в быстрорежущих сталях необходим учет как кинетики фазового превращения, так и диффузии углерода. 14

Важным механическим свойством обработанного лазерным излучением материала является его твердость. Профиль твердости рассчитывается в рамках обобщенной формулы для твердости с учетом изменения концентрации углерода по глубине, определяемую нами из численного решения уравнения диффузии. Численным образом были определены профили твердости для различных марок сталей. На рис. 1.3 представлены экспериментальные данные [12] (сплошная линия) и результаты расчета (пунктирная линия) на основе предложенной модели твердости углеродистой стали AISI по глубине после обработки лазерными импульсами миллисекундной длительности для двух значений интенсивности ЛИ. Видно удовлетворительное согласие расчетных графиков с экспериментальными данными. Точного совпадения результатов нет, т.к. в численных расчетах не учтено влияние механических напряжений.

В § 1.6 представлена теоретическая модель режима глубокого проплавле-ния металлов и сталей импульсами лазерного излучения, используемого для лазерной сварки. В случае импульсного лазерного воздействия режим глубокого проплавления позволяет получить узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной или вообще без зоны теплового воздействия [А15ДЗ]. Для получения достаточно глубокого проплавления необходимо использовать специально спрофилированные лазерные импульсы [14]. Оптимальной является форма импульса с растянутым передним фронтом и достаточно высокой пиковой мощностью [15]. Задача о глубокой сварке металлов импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности сводится к плавлению за счет транспортировки излучения на дно растущего парогазового канала (рис.1.4).

2 - координата развития парогазового канала, г0 - координата поверхности дна каверны, Го—радиус лазерного пятна, — интенсивность лазерного излучения.

Это требует выполнения одновременно двух противоположных условий: достаточно большого давления отдачи паров для образования и роста канала, что характерно для пробивки отверстий, и сохранения жидкого металла в ванне расплава в течение всего воздействия, что необходимо для сварки. Предлагаемая нами модель глубокого проплавления выглядит следующим образом. На начальной стадии воздействия за время т, за счет нагрева и плавления формируется ванна расплава - буферный слой жидкости - с объемом, достаточно большим по сравнению с объемом жидкости, вытесняемой при последующем прогибе поверхности. После этого при увеличении интенсивности излучения до значений, соответствующих испарительному режиму, идет процесс глубокого проплавления за время т>. Рассматривается специальная форма импульса лазерного излучения типа ступеньки, состоящая из двух частей: I) длинной части с интенсивностью излучения <7; И Временем Г7 И 2) короткой части С интенсивностью q2 и длительностью т>. На каждом из участков плотность мощности поддерживается постоянной. При этом д2» д] и т2 « Т]. Для описания процессов нагрева и плавления на первой стадии использовалось двумерное уравнение теплопроводности с гауссовым поверхностным тепловым источником и условием Стефана на границе жидкость - твердое тело. Необходимая для эффективной сварки без разбрызгивания толщина буферного слоя ~ 0.33 мм формируется за время г/ ~ 8мс. На второй стадии процесса (рис. 1.4) рассматривается одномерное течение жидкости вдоль стенок лунки. Плотность лазерного излучения резко возрастает до величины и начинается процесс вытеснения жидкости в течение времени т2 « Т! Для построения теоретической модели, описывающей развитие парогазового канала на стадии II использовались предположения, обычно реализуемые в условиях эксперимента: в жидком расплаве имеет место гидростатическое равновесие, т.е. давление паров на основание уравновешивается давлением поверхностного натяжения и давлением столба расплавленного металла; давление парогазовой смеси Р(г0) вблизи дна каверны равно давлению насыщенных паров при температуре поверхности дна 7'(г0/);давление паров действует только на основание каверны; скорость движения фронта испарения вдоль оси г равна скорости движения фронта плавления; количество вытесняемой жидкости равно количеству жидкости, образующейся под дном лунки. В этих предположениях рассматривались следующие уравнения: 1. Уравнение теплопроводности: дТ.{г,{) т, дТ{г,г) ' 2 д2т(г,А ЯГ

2. Уравнение Бернулли:

p(z)=pgh + А=-г0

/>(z0)=/K,*exp(-±) к = (1Л°)

3. Уравнение непрерывности:

Г/('2-'Ь2)=§'о2 (1.11)

Здесь Lv — удельная теплота парообразования, Vf - скорость движения фронта испарения, R — универсальная газовая постоянная, P(z0) - давление паров у дна лунки, г — радиус зоны расплава, /г - атомный вес, тр — длительность импульса Совместное численное решение уравнений (1.9-1.11) позволило определить динамические параметры процесса плавления. На рис. 1.5 представлены расчетные зависимости глубины фронта плавления от времени (а) и скорости движения фронта плавления от глубины (б) для различных значений энергии в импульсе. Здесь также представлена экспериментальная кривая [А 15].

v, мс

3-

t, мс

Рис. 1.5. Расчетная зависимость глубины плавления от времени (слева) и скорости движения фронта плавлення от глубины (справа) при различных энергиях в импульсе: 1 — 17, 2 — 25, 3 — 32 Дж; 4 — экспериментальная кривая: энергия в импульсе -32Дж. Видно, что глубина Ь при длительности развития парогазового канала 3 мс составляет 3.5 мм при энергии 17 Дж и 5.8 мм при энергии 32 Дж, что находится в очень хорошем согласии с экспериментальными данными. Хорошее согласие с экспериментом наблюдается и для расчетных зависимостей скорости движения фронта плавления.

Вторая глава посвящена теоретическому моделированию абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии. В §2.1 и §2.2 рассмотрены особенности абляции металлов ультракороткими ЛИ (фемто-и пикосекундный диапазон длительностей ЛИ), рассмотрены существующие модели лазерной абляции металлов ультракороткими ЛИ и определено место проводимых нами исследований в ряду описанных в литературе на момент постановки задачи. Прецизионная обработка металлов с использование лазерной абляции металлов ультракороткими ЛИ предполагает, что в каждом импульсе удаляется близкая к минимальной масса вещества, которая еще может быть экспериментально измерена. Это означает, что плотность энергии в импульсе Т7 не должна превышать существенно ее пороговое значение Рп (для металлов = (0.1-0.5) Дж/см2). При воздействии таких импульсов на металл облучаемое вещество сохраняет в значительной степени металлические свойства. В диссертации была поставлена задача определения пороговых характеристик (плотности лазерной энергии и температуры), а также технологического параметра процесса - глубины абляции за импульс в зависимости от параметров лазерного излучения (плотности энергии и длительности лазерного излучения). Отличительной особенностью проведенного исследования является получение аналитических зависимостей порога лазерной абляции от параметров лазерного импульса, в частности, длительности лазерного импульса, позволяющих проводить прямое сравнение с экспериментальными данными и давать рекомендации по механизмам абляции для различных диапазонов режимов лазерного воздействия. В §§ 2.3 и 2.4 определены пороговые характеристики лазерной абляции фемтосе-кундными и пикосекундными ЛИ, соответственно. Дан анализ зависимости пороговых величин от плотности лазерной энергии и длительности лазерного импульса. При низких потоках лазерной энергии, близких к порогу лазерной абляции Р~РП тепловой режим абляции является определяющим. Абляция определяется нагревом электронного газа и нагревом решетки за счет электрон-ионной релаксации. При этом сам процесс абляции определяется кинетикой поверхностного испарения нагретого металла в вакуум. Для описания пространственного и временной эволюции электронной и ионной (решеточной) температуры использована двух - температурная модель, которая справедлива, если 1)длительность лазерного импульса т много меньше времени электрон-ионной релаксации ге;: г «те1\ 2)глубина проникновения лазерного излучения (скин -слой) много меньше, чем толщина теплового проникновения за время т. Двух -температурная система уравнений [10,25] имеет вид:

C.f-^-rP.-TJ + I.acrt-a,)

ot

Ce=CJe; К = -СеУ?.т/, C, = const

(2.1) (2.2)

(2.3)

здесь Q - мощность лазерного энерговыделения, С(, С, — теплоемкость электронного газа и решетки, к - коэффициент электронной теплопроводности металла, те - время релаксации электронной энергии, 7>, \>р - температура и скорость Ферми. Используя определенные зависимости характеристик металлов от температуры электронной системы, аналитически и численно получены пространственно-временные зависимости электронной и ионной температур металла и глубина абляции:

Ml -1 ' TF~

— he "J + 'о/ rp

V е J ' -

Г Л",/2 t

л Fn

т=т'ег/

t-t

t>t

d = bjrjd

V^oy

exp

T0 = a

6a2

л

T ilk

N 2/3

(f

T,

4/3

(2.4)

(2.5)

A = lf2» 2 у a

t* = a'r.

r V/6

r V/2

i ^ v2'3

/г

Уго У

(2.6)

6а

N 1/3 / \ 1/3

F_

Poj

a =CeTI/Ci„ F0 = 3/2 Л е rij — масштаб плотности поглощенной лазерной энергии, [эрг/см2], Л - кулоновский логарифм, е - заряд электрона; Я/ , - концентрация ионов. В момент времени t = t*> xie передача энергии от электронов к решетке приводит к существенному охлаждению электронного газа и к соответствующему нагреву ионов, так что при t>t* ситуация оказывается близка к равновесной и можно положить Те~ Г, = Т« Т* ~ (Т,Т,)' 2.

На рис. 2.1 приведены зависимости поверхностной электронной и решеточной температур от времени с учетом эффекта охлаждения электронов. Кривые, построенные по полученным нами аналитическим выражениям, показаны пунктирной кривой. Сплошной кривой представлены результаты численного расчета, проведенного в рамках двух - температурной модели в [16].

Т;,Те, еУ

І, ре

Рис. 2.1. Численные (-) и аналитические (- -) зависимости электронной и ионной

температур от времени с учетом эффекта охлаждения электронов.

Для определения порога абляции был использован критерий

1п (с1тП = \,{по - концентрация атомов решетки): абляция может быть зафик-

сирована уже при испарении 2-3 атомных слоев. Для порогового значения плот-

ности лазерной энергии имеем:

Г1И =

1 Сд7>Ч(гоДо,)' 1-Я Г

Iі"

,'/2

(М

3/4

А = Ъп1ъ

Ґ \1/2 и

^О

ІЕ

1/4

1/2

(2.8)

Получаем следующие пороговые характеристики для золота: РПЛ" = 45 мДж/см2, I п = г«/7 = 2.9 пс, Т0П = 0.41 эВ, //7= 54 пс. Аналогичный расчет для меди дал значение /<77 " = 200 мДж/см2. Из полученных результатов следует, что величина пороговой плотности абляции не зависит от длительности импульса, если

т > т.

Р 1Є

і/з

а

2/3

V о/

2/3

V те> у

1/3

(2.9)

что для золота дает значение лазерного импульса тр« 3 пс. Таким образом, в рамках фемтосекундных лазерных технологий характеристики абляции не зависят от длительности импульса тр и полностью определяются плотностью поглощенной энергии. 20

Физическая картина абляции металлов в пикосекундном диапазоне (пико-секундная технология) качественно отличается от фемтосекундной лазерной абляции. В пикосекундном диапазоне тр= (1-10) пс длительность импульса становится сравнима с типичным временем охлаждения электронного газа металла

¡е ¡-, 61

Ц

Се, С, — теплопроводности электронов и решетки.

(2.19)

Au,F=50,tp=3ps 1-comput., 2-analit.

Au, F=50, tp=10 ps 0,50 r- 1-comput.,2-analit.

0,0 0,5

1,0 1,5 2,0 2,5 t, ps

Рис. 2.2. Зависимость электронной и поверхностной температуры решетки дляАи при Р=50 мДж/см2 и т=3 пс (/3=0.3; 1.0). Линия 1 соответствует аналитической зависимости, линия 2 — численному решению.

Рис. 2.3. Зависимость электронной и поверхностной температуры решетки для Аи при F=50 мДж/см2 and тр=10 пс (/3=0.3; 1.0). Линия 1 соответствует аналитической зависимости, линия 2 -численному решению.

Пороги абляции F„, глубина абляции d, электронная температура Te(x,t) и температура решетки (ионов) T,(x,t) начинают зависеть от длительности импульса. ЛИ в пикосекундном диапазоне, в свою очередь, делятся на короткие (J3«l), для которых в момент времени t=tp Ti/Te«\, и длинные (J3>> 1), для которых Те ~ Ті , Р = t,Jtn. Рисунки 2.2 и 2.3 показывают разницу зависимости электронной и поверхностной температуры решетки для Аи при F= 50 мДж/см2 для двух значений /3. Линия 1 соответствует аналитической зависимости, линия 2 — численному решению. Аналитическое описание хорошо согласуется с численными расчетами. Таким образом, если tp > tie то абляционные параметры начинают зависеть от длительности импульса tp . Например, для Аи при длительности импульса tp (3 - 10) ps будет выполняться пикосекундный режим абляции.

Третья глава посвящена теоретическому моделированию процессов лазерной абляции полимеров. В §§ 3.1-3.2 рассмотрены экспериментальные данные, отличительные черты, а также механизмы лазерной абляции полимеров. При поглощении УФ фотонов (-200-300 нм) в органической молекуле происходит возбуждение электронной системы, в то время как поглощение ИК фотонов приводит к возбуждению колебательных и вращательных состояний молекулы. В последующем энергия перераспределяется между различными каналами [17], наиболее важный из которых — это разрыв связей, что и приводит к абляции -распаду на молекулярные газовые фрагменты. Спектр вылетающих частиц разнообразен: отдельные атомы, молекулы, твердые фрагменты полимера. Оставшийся материал практически не подвергается нагреву. Поэтому в литературе за этими процессами закрепилось название «холодной» абляции. Удаление материала происходит в основном за счет декомпозиции в газ (или пар) молекулярных фрагментов, приводящих к образованию быстро расширяющегося плазменного облака. Величины массы удаленного вещества и времени осуществления процесса абляции существенно больше, чем в случае металлов. В § 3.3 дан анализ теоретических моделей лазерной абляции полимеров УФ лазерными импульсами. В диссертации предложена и развита модель абляции полимеров в гидродинамическом режиме, отличительной особенностью которой является то, что процесс образования факела рассматривается как фазовый переход первого рода конденсированное тело - пар, характеризуемый величиной удельной энергии активации О = Ыаи(//л, и0 - энергия связи продуктов абляции, /л - средний граммолекулярный вес первичных продуктов абляции, - число Авогадро. В случае сильнопоглощающих полимеров (линейный коэффициент поглощения а, ~ 105 см'1), переход носит характер поверхностного «испарения» и граница абляции рассматривается как граница фазового перехода, разделяющая газовую и конденсированную фазы. Процесс абляции полностью определяется гидродинамическим образованием паров, если Отр > шах {а5~',(х-тр)'/2}, В тр - глубина абляции за время действия импульса, а,'1 - длина поглощения излучения в сильно-поглощающем полимере, (х'%р)1/2 - глубина проникновения теплового фронта, х -коэффициент теплопроводности, •тр - длительность лазерного импульса, О- -скорость движения фронта абляции. Для слабопоглощающих полимеров (ак~ 102 -103 см"1) фазовый переход - образование факела рассматривается как разрыв связей в поглощающем слое за счет теплового давления в нем или как объемное «испарение-кипение» и граница абляции определяется как объемное испарение. В этом случае гидродинамический режим абляции реализуется, если с-тр > шах

/а,,,"', (х'тр)' 2}, где с-Тр — размер факела, с — скорость звука в испаренном веществе. Это условие означает, что гидродинамическая волна разрежения за время действия импульса успевает пройти зону первоначального прогрева и полностью определяет процесс абляции. Граница абляции в этом случае определяется как внешняя граница поглощающего слоя, абляция носит стационарный характер со скоростью £> = с — и, где и — скорость испарения на фронте абляции. И в том и в другом случае поглощающий слой рассматривается как сильный гидродинамический разрыв, разделяющий твердый образец и прозрачный факел, движущийся по образцу со скоростью Оив гидродинамическом смысле являющийся абляционной поверхностью. Предполагается, что фазовый переход осуществляется при эффективной температуре Ти давлении р0. В газовой фазе Т\ = р^/р^ =Т, У/ ^, Р1 и £/- скорость, плотность, давление и удельная энергия испаряемой фазы (факела) в точке х = Хо, ро, ро ~ плотность и давление твердого полимера в той же точке. Существует тонкий слой вблизи границы фазового перехода (гидродинамический разрыв), в котором плотность и давление изменяются от равновесных значений до Pi.Pi, а скорость расширения изменяется от нуля до V/ = С/ — £>. В этой ситуации расширение факела описывается уравнениями изоэнтропической гидродинамики с граничными условиями на абляционной поверхности - гидродинамическим разрывом. Последние получаются интегрированием этих уравнений по разрыву и таким образом сводятся к законам сохранения потоков массы, импульса и энергии.

+£>) = />„» (у Р\)Р1 + (ЗЛ)

Р, + =Ро Ч = с, = »° (3.2)

Ро^е, =9о (3-3)

Уравнение кривой фазового равновесия можно представить в виде:

Ро = уРРо ехр(-^г) (3.4)

При постоянной интенсивности лазерного потока д0 существует решение уравнений изоэнтропической гидродинамики, приводящее к стационарным значениям гидродинамических величин на абляционной поверхности. Указанное решение удовлетворяет т.н. условию Жуге: V/ + В= с/ = (УР1/Р1), у = и(/2кТсг Здесь 11о — энергия активации, у — эффективная изоэнтропическая экспонента, Тсг - критическая температура. Температура вещества на разрыве: Т=Т0 = Т,.

23

Тогда задача определения зависимости <і=сІ(Т) сводится к решению трансцендентного уравнения, решение которого получаем в виде:

d = Dv

р

Ь2+Л*р0П0

Q=NAU/fi (3.5)

з __£!_ А2 2(г-1) 1 уш

6 = * = 2—1Рр°п *> ™

В 1 я1

Р, = А=—дех р(--р-) г, + (3.7)

Эти уравнения позволяют определить глубину абляции за импульс и значения всех гидродинамических величин на абляционной поверхности как функции плотности энергии и длительности импульса. На рис. 3.1 представлена абляционная кривая для полиимида при облучении лазерным импульсом ХеС1 лазера с длиной волны 308 нм и длительностью импульса 15 не. Точки взяты из [18], а сплошная кривая и пунктирные кривые - расчет при Р0= 2.109 мДж/см2. Наблюдается хорошее совпадение с экспериментальными данными.

Fluence (mj/cm )

Г luente (J/cm )

Рис.3.1. Абляционная кривая для поли- Рис.3.2. Сравнение эксперименталъ-имида при облучении лазерным импулъ- ных (кружочки [19]) и теоретических сом XeCl лазера с длиной волны 308 нм (сплошная линия) зависимостей и длительностью импульса 15 не. Точ- d=d(F) для РММА (61 не, 248 нм). ки взяты из [18], а сплошная кривая — расчет при F0= 2.109мДж/см2.

В случае слабопоглощающих полимеров толщина слоя, где происходит основное поглощение падающего излучения (103- 10"2) см, что более, чем на 2 порядка превышает толщину поглощающего слоя для сильнопоглощающих полимеров. Для слабо поглощающих полимеров развитое испарение соответст-

вует разрыву связей за счет теплового давления. Этот процесс можно рассматривать как объемное испарение или, в предельном случае, как кипение. С ростом плотности лазерной энергии характерная температура слоя увеличивается и при F > > становится порядка критической, т.е. нагретое и разлетающееся вещество в этом случае становится однородным. Предполагаем, что, расширяясь под действием теплового давления, вещество в поглощающем слое, представляющее собой сильновзаимодействующий газ с плотностью порядка плотности твердого тела, достигнув некоторой плотности р < р0, становится прозрачным для падающего излучения. В этом случае гидродинамическое движение вещества в области вне поглощающего слоя (р < р*) будут описываться изоэнтропической гидродинамикой. В области интересующих нас плотностей энергии ^ > Г,

с1 = (1,

/ „ V'3 г

¿К; 2(^-0

1/3

к +1

а +1

(5рйЯ?пг

а-1

1/3

( • Л

Л

,а = 1 + 0.15 0

V У

(3.8)

¿о =

к +1

Д2"

На рис. 3.2 представлены результаты сравнения численных расчетов с экспериментальными данными [19] для РММА (61 не, 248 нм), Р0 = 2.93 Дж/ см2 и (10 = 6.71 мкм. Видно, что представленная нами модель приводит к удовлетворительному согласию с экспериментальными результатами в следующих диапазонах Г ~ (1-Ю) Дж/см2 и г ~ (15-60) не. В области плотностей энергии Р >15 Дж/см2 расхождение теоретических и экспериментальных данных становится существенным, что связано с влиянием эффекта экранировки. В § 3.4 проанализированы термодинамические особенности «холодной» абляции полимеров. Для рассматриваемых нами полимеров (Р1, РММА) при плотностях энергии, используемых в экспериментах, на один мономер приходится 2-3 УФ фотона. Это означает, что в одном мономере может одновременно находиться в возбужденном состоянии, например, две связи СН. За время жизни возбужденного состояния одна связь может распасться, а оставшаяся молекула СН вылететь в возбужденном состоянии. Предполагается, что первичные продукты абляции образуют газ с эффективным показателем адиабаты. Сравнение теоретических результатов, представленных выше, с конкретными экспериментальными данными позволяет определить теплофизические величины:

и^с, «(3-Ю4 н-Ю^и/^ПоКЮ10 ->62 «5-10-2 -+у = \

При этом R7'i//J = RT,/jj « Q « e, Основной вывод, который можно сделать, заключается в том, что постоянная адиабаты газа продуктов абляции у оказывается близкой к единице. Термодинамически это означает, что удельная энергия этого газа сосредоточена в основном во внутренних степенях свободы, т.е. эффективная температура возбуждения Т* существенно выше поступательной температуры газа Т\. частицы, совершающие фазовый переход, характеризуются энергией возбуждения е ~кТ, значительно превышающей энергию связи. В этом и заключается основное термодинамическое отличие «холодной» абляции полимеров от абляции неорганических материалов (металлы, полупроводники и т.п.).

Четвертая глава посвящена теоретическому моделированию лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков. В §§ 4.1-4.2 рассмотрены особенности лазерных технологий применительно к полупроводникам и экспериментальные результаты по лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков. Особенность лазерной абляции фемтосекундными лазерными импульсами - большая энергия, сообщаемая удаленному материалу (исключительно в газовой фазе), что практически предотвращает переосаждение этого материала на поверхность (в особенности, в виде микрокапель) [20]. Кроме того, абляция происходит без заметных побочных повреждений, т.к. подвергается разогреву и удаляется только прямо облучаемый материал. При одинаковых параметрах режима лазерного облучения при облучении импульсами Ti-сапфирового лазера с длиной волны 400 нм и длительностью 135 фс были определены пороги абляции для GaN и других прозрачных материалов, таких как сапфир (А1203) и плавленный Si02, а также такой же Si02 с примесью Ge [20]. Было установлено, что интенсивность лазерного облучения на пороге поверхностного повреждения вышеперечисленных материалов (порог абляции) под действием единичных импульсов (400 нм, 150 фс) растет как ширина запрещенной зоны (величина края полосы поглощения) в степени 3,1 - £g3 '. Задачей нашего рассмотрения было определить порог лазерно-индуцированного разрушения при лазерной абляции прозрачных широкозонных полупроводников и диэлектриков и объяснить наблюдаемую экспериментально зависимость от ширины запрещенной зоны. На момент постановки задачи природа такой зависимости была не выявлена. В § 4.3 представлены результаты теоретического исследования механизмов разрушения и нелинейного поглощения света в прозрачных материалах -широкозонных полупроводниках и диэлектриках. Абляция прозрачных материалов означает, что реализуется нелинейный механизм поглощения ЛИ с интенсивностью порядка десятков ТВт/см2 и длительностью порядка сотен фс.

Коэффициент нелинейного поглощения, определенный для ОаИ из экспериментальных данных, составляет величину порядка 2.5х104 см"1, тогда как линейное поглощение при 400 нм составляет величину менее 100см"1.

Вероятность ионизации атомов и твердых тел в поле сильной электромагнитной волны, чья средняя энергия фотонов в импульсе меньше потенциала ионизации (нелинейный механизм поглощения) была получена Л.В.Келдышем [21]. Был введен критический параметр данной теории, называемый адиабатическим:

соАЪтЕ

Г=(4.1)

где £ и со напряженность и частота электрического поля излучения, т — приведенная масса. Если у » 1 (большое значение частоты со и относительно не сильное поле) происходит одновременное поглощение нескольких фотонов и реализуется многофотонный механизм поглощения. В случае у « 1 (низкая частота и высокая интенсивность ЛИ) реализуется туннельный механизм поглощения, с вероятностью [21]:

- ехр

( жт^Е^

2 Пе£

(4.2)

Для СаЫ: Ех -3.43 эВ, и для / = 40 ТВт/см2, у ~ '/2 и ю = 1015 с"1. Это означает, что для процесса абляции ваИ при лазерной мощности порядка терраватт реализуется туннельный механизм поглощения. Используя зависимость из (4.2) мы определяем порог абляции в зависимости от Еъ:

с I I2 тг стЕ\

Видно, что туннельный механизм поглощения объясняет зависимость порога абляции от ширины запрещенной зоны, наблюдаемой экспериментально. Для других прозрачных материалов были определены параметр у и пороги абляции (см. Таблицу 1). Вычисленные значения порога абляции находятся в хорошем согласии с экспериментом. Таким образом, установлено, что для лазерного режима облучения с интенсивностью порядка десятков ТВт/см2 и фемтосекундной длительностью импульсов (со порядка 1015 с"') наиболее эффективным механизмом нелинейного поглощения света для диэлектриков и полупроводников с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ является туннельный механизм поглощения света.

Таблица 1. Параметры различных материалов и значения адиабатического параметра и порога лазерной абляции.

Материал Формула Ширина запрещенной зоны, эВ Y Порог абляции, нДж

Эксперимент Теория

Нитрид галлия GaN 3,4 0,5 34 25

Кварц, легированный

германием Si02:Ge 5,5' 0,7 177 140

Сапфир А12Оз 5,8 0,6 247 190

Плавленый

кварц Si02 9 0,6 710 560

' край полосы поглощения определяется примесью германия

Величина вероятности туннельного поглощения w дает возможность определить вклад фотоионизации в концентрацию электронов [22]:

ne~rt,[\ -exp(-wAi)], (4.4)

где п, ~ 1О22 см"3 — полная концентрация валентных электронов. Для режима лазерного воздействия со сверхвысокой интенсивностью излучения время ионизации меньше длительности импульса, что связано с зависимостью w от интенсивности лазерного излучения. При лазерном режиме с мульти - ТВт/см2 интенсив-ностями полная ионизация происходит за время порядка десятков фемтосекунд и менее, что существенно меньше длительности лазерного импульса (150 фс).

В пятой главе рассмотрено теоретическое моделирование процессов лазерного наноструктуирования материалов. В § 5.1 и § 5.2 представлен анализ основных экспериментальных результатов и отличительных особенностей лазерных технологий нано- и микроструктуирования поверхности материалов. Экспериментальные результаты по исследованию структуры материалов после обработки ЛИ короткой и ультракороткой длительности свидетельствуют об образовании мелкодисперсной структуры с размерами зерен от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Отмечено, что получение различного типа структур на поверхности материалов с минимальными размерами в наномасштабной области (десятки нанометров) возможно с использованием лазерного режима, обеспечивающего процессы сверхбыстрого нагрева, плавления и кристаллизации поверхности металла. Для фемтосекундного диапазона длительности ЛИ (65 фс) и плотности лазерной энергии порядка порога абляции в металлах Аи, Си и Ti возможно получение различных нанообразований на поверхности размером от 20 нм до 100 нм, при небольшом количестве лазерных импульсов (от 1 до 10)

[23]. С целью нанострукгуирования возможно использование ЛИ в наносекунд-ном диапазоне длительностей, например, лазера с диодной накачкой [24]. После облучения ЛИ с плотностью энергии в импульсе 0,1 Дж/см2 и длительностью импульса - 6,5 не 1п пленка приобрела признаки аморфной структуры (лазерное стеклование) с наблюдаемыми кристаллическими вкраплениями размером от 100 нм до 1 мкм.

В § 5.3. представлена теоретическая модель нанокристаллизации металлов под действием ЛИ. Наиболее общий подход к описанию кинетики процесса кристаллизации при охлаждении после лазерного воздействия основан на исследовании функции распределения числа частиц кристаллической фазы по числу содержащихся в них атомов п в данный момент времени / [9]. Знание функции распределения 1(п,г) позволяет определить средний размер образующихся при охлаждении кристаллитов, а также относительную долю объема новой фазы. Автором предложен метод аналитического решения кинетического уравнения для функции распределения 2(пЛ), отличающийся тем, что не требует усреднения коэффициента диффузии, которое использовалось в других моделях, а основан на использовании физических особенностей кристаллизации металлов, реализуемых при сверхвысоких скоростях охлаждения.

Кинетическое уравнение для функции распределения кристаллических зародышей по размерам 2(п,г):

дг(п,г/з„,„[ и , 1 д

= УГГ ехр--к-- +

д! Я ЩОДЗя кТ(1)дп

дп

ДФ" = А/«, д/ = , Дф* = ХогР (5.1)

где АФ - изменение удельной свободной энергии при появлении зародыша новой фазы, индексы V, 5, означают соответственно объемный и поверхностный члены, соответственно, А/г - скрытая теплота фазового перехода, а - поверхностная энергия границы фаз, % - форм-фактор зародыша, С/ - энергия активации перехода атома через границу раздела фаз, V — характеристическая частота Дебая, к — постоянная Больцмана, Т0 - температура кристаллизации. В качестве начального условия используем условие полноты системы, означающее сохранение числа частиц в ней:

г(и,0) = 2МУ(и-1), {¿(л-!)<& = - (5.2)

Граничные условия выбраны в следующем виде:

2(«,0и=Лг, г(л->оо,О = 0 • (5.3)

Второе уравнение в (5.3) исключает из рассмотрения наличие очень больших зародышей новой фазы, что справедливо для малых времен охлаждения, реализуемых при лазерном импульсном воздействии на металлы, когда большие новообразования не успевают вырасти и не наблюдаются экспериментально. Сверхвысокие скорости охлаждения создают также условия, при которых изначально существует достаточное количество зародышей сверхкритического размера, т.е. все зародыши сверхкритического размера автоматически включены в систему. Поэтому кинетика сверхбыстрого охлаждения зависит не от скорости процесса зародьплеобразования, а определяется скоростью роста кристаллических зародышей. Металлографические исследования [25] показывают, что кристаллические зерна, образованные при сверхбыстром охлаждении имеют игольчатую дендритную форму. Поэтому мы рассматриваем существование зародышей кристаллической фазы, имеющих преимущественно пластинчатую форму. В этом случае предэкспоненциальный фактор в (5.1) будет пропорционален п, а не и275. Последнее обстоятельство позволяет найти аналитически решение кинетического уравнения в явном виде. Уравнение решаем с помощью операторного метода, применяемого для решения уравнения Шредингера [26]. Получаем-функцию распределения числа зародышей по размерам в интегральном виде:

/

ог(0^ехр[-/?(0]_[ехр

кТ0 I Т{т) Я Щг)/

I] — модифицированная функция Бесселя первого порядка. Окончательный вид а(0 и находим, используя различные законы изменения температуры при охлаждении. Показано, что при сверхбыстрых скоростях охлаждения величины а и р и, соответственно, функция распределения числа частиц, достигают своего стационарного значения за малые доли времени от полного времени охлаждения. Скорость охлаждения, среди прочего, определяет и явный вид функции распределения. Например, если

(5.4)

т-

и

Щг)

йг

2т=2ь8(п-п{,) (5.6)

то для линейного и степенного законов охлаждения

г

=| ~~Те >' I ехР

а

(5.7)

Используя уравнение (5.3) и (5.7), можно в явном виде найти относительное изменение объема новой фазы:

АУ Кп-^г ЛТД у-ые^АУ , „ -= —-=-= \-ер (5 8)

V У,„ ту '

Другой важной величиной является средний размер кристаллического зародыша или среднее число атомов в зародыше новой фазы. Эта величина определяет размер образующихся кристаллитов. По определению

1 "

(п) = — \УЛп,Г)пс1п (5.9)

" о

где (и) есть достаточно большое, но ограниченное число частиц. Принимая во внимание, что для больших скоростей охлаждения возможен переход в пределах интегрирования от я к со, среднее число частиц в кристаллите также можно найти в явном виде:

/ \

а I 3

(5.10)

Результаты расчетов Д У/У и (л) для экспоненциального закона охлаждения представлены на рис.5.1 и 5.2. На рис.5.1 представлен объем закристаллизовавшейся фазы в зависимости от скорости охлаждения для трех металлов- Ре, А1 и N1 Видно, что при относительно малых скоростях охлаждения ехрф) —* 0 и расплав практически полностью становится кристаллическим (АУ/У-^>-1). Аморфная фаза реализуется, когда ее объем стремится к некоторой величине Р, близкой к единице: ехр[Р = Р и АУ/У —>■0 (§ 5.4). Критические скорости

охлаждения, при которых практически весь объем расплава застывает без кристаллизации, составляют величины порядка о ~ 1,8х109К/с, и ~ 9,3х108 К/с и и ~ 7,Зх107К/с для Ре, А1 и соответственно. На рис. 5.2 представлены зависимости среднего числа атомов <п> в кристаллите от скорости охлаждения. Видно, что (п) уменьшается существенно при незначительном увеличении скорости о.

Рис. 5.1. Объем закристаллизовав- Рис. 5.2. Зависимости среднего числа шейся фазы в зависимости от скоро- атомов <п> в кристаллите от скорости охлаждения (1 - Fe, 2 - Al, 3 - Ni). сти охлаждения (1 - Fe, 2 - Al, 3 - Ni). Для режима охлаждения, реализуемого при облучении индия ЛИ с плотностью энергии лазерного излучения 0.1 Дж/см2 и длительности импульса 6.5 не скорости охлаждения составили величину порядка 101ОК/с, соответствующий средний размер образующихся кристаллических зерен - (100-400) nm. Такие кристаллические вкрапления наблюдались экспериментально [24]. С другой стороны скорости охлаждения достаточны для образования в индии аморфной фазы, что позволяет сделать вывод об образовании в описанном эксперименте смешанной структуры - аморфного индия с вкраплениями кристаллических зерен. При воздействии фемтосекундными лазерными импульсами скорость охлаждения может достигать величины порядка 1012 К/с, оценки с использованием (5.17) дают размеры кристаллитов порядка 20-40 нм, что находится в хорошем согласии с экспериментальными данными [23]. § 5.4 посвящен определению кинетического критерия аморфизации как условия и > исг: существует критическая скорость охлаждения vcr, при достижении которой кристаллическая фаза не успевает образоваться за время охлаждения из расплава и остывший материал представляет аморфоподобную структуру. Скорость отвода тепла из расплава в объем материала при остывании определяет верхнюю границу скорости охлаждения. Тогда, критическая скорость охлаждения, при которой возможно получение некристаллической (аморфной) фазы, определена нами как:

- (5.11)

и\пР \ кТ0і

Видно, что возможность получения аморфной фазы определяется как параметрами лазерного импульса, так и термодинамическими характеристиками материала.

32

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана модель лазерной закалки сталей, основанная на самосогла-ванном рассмотрении процессов, определяющих аустенитное превращение сталей при скоростном лазерном нагреве. Модель лазерной аустенитизации впервые включила в рассмотрение одновременное решение (теоретическое и численное) системы уравнений, описывающих процесс теплопроводности, кинетики полиморфного превращения железа, диффузии углерода, включая распад карбидной фазы, а также пластической деформации, с учетом исходного фазового состояния и структуры материала. Модель позволяет определить: 1) времена процессов, обеспечивающих требуемую степень аустенитного превращения, для обеспечения на этапе охлаждения заданной степени закалки стали; 2) глубину и твердость упрочненного слоя для заданных значений параметров режима лазерного воздействия (интенсивности и длительности лазерного импульса). Представлены результаты численных расчетов для широкого круга сталей (углеродистых и высоколегированных инструментальных) при обработке их миллисе-кундными лазерными импульсами (1-10мс) в режиме без оплавления поверхности. Для конструкционных сталей расчет твердости был произведен впервые, получено хорошее соответствие с экспериментальными данными.

2. Предложен и теоретически и численно проанализирован новый цикл термообработки, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения, позволяющий увеличить время воздействия без снижения скорости нагрева и тем самым обеспечить необходимую для закалки степень полиморфного превращения и требуемый для упрочнения размер кристаллических зерен структуры. Получено выражение для профиля интенсивности лазерного излучения, позволяющего реализовать стадию изотермической выдержки. Трехстадийный цикл лазерной термообработки (авторское свидетельство № 1280890 от 01.09.1986) позволяет реализовать оптимальный цикл лазерной закалки сталей при закалке их на мартенсит для широкого набора марок сталей.

3. Впервые для объяснения глубокого проплавления металлов в процессах лазерной сварки миллисекундными ЛИ развита гидродинамическая модель парогазового канала. Оптимальным для лазерной сварки в режиме глубокого проплавления является получение сварного шва с высоким аспектным отношением (отношением глубины шва к его диаметру) и одновременное сохранение ванны расплава без выплескиваний. Такой режим достигается за счет специального

профилирования ЛИ, обеспечивающего при низких значениях интенсивности ЛИ образование буферного объема ванны расплава, и - при высоких интенсив-ностях - эффективное развитие парогазового канала. Были определены параметры интенсивности и длительности импульса для обеспечения процесса глубокого проплавления. Было установлено, что за время порядка 8 мс образуется ванна расплава толщиной порядка 0.3-0.4 мм (диаметр пятна облучения - 0.30-0.32 мм), что позволяет реализовать за оставшиеся 4 мс длительности импульса глубокое противление без выброса материала. Были получены результаты по глубине проплавления и скорости развития парогазового канала в зависимости от энергии в импульсе. Максимальная глубина проплавления за один импульс с энергией 32 Дж, составила величину порядка 6 мм, при этом диаметр зоны плавления в средней ее части составил не более 0.4 мм (аспектное отношение превысило 15), что полностью совпадают с экспериментальными результатами по глубокой сварке металлов специально спрофилированными ЛИ.

4. В рамках модели тепловой абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии вблизи порога абляции, развитой в рамках двухтемпературной модели, получены аналитические выражения для пороговых значений лазерного потока абляции и температуры решетки для двух диапазонов длительностей ЛИ - пико- и фемтосекундных длительностей. Показано, что для каждого металла существует величина длительности ЛИ, меньше которой порог абляции не зависит от длительности ЛИ, а определяется только величиной плотности лазерной энергии. Например, для золота эта величина составляет 3 пс. Результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

5. В модели абляции полимеров ультракороткими ЛИ, основанной на рассмотрении абляции полимера как процесса фазового перехода I рода в режиме развитой гидродинамики получены аналитические выражения для глубины абляции за импульс в зависимости от плотности лазерной энергии. Сравнение теоретических значений с экспериментальными данными позволило определить термодинамические параметры продуктов абляции. Было впервые установлено, что параметр адиабаты составляет величину порядка единицы. Термодинамически это означает, что продукты абляции полимеров находятся в возбужденном состоянии, что обуславливает так называемый эффект «холодной» абляции полимеров под действием ультракоротких лазерных импульсов.

6. Проведено теоретическое исследование лазерной абляции прозрачных материалов с использованием интенсивного лазерного излучения порядка десятков ТВт/см2 и фемтосекундных импульсов с частотой порядка 101 V. Показано, что в указанном диапазоне интенсивностей и длительностей лазерного излучения для широкозонных полупроводников и диэлектриков (с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ), таких как нитрид галлия, сапфир, плавленое стекло и ряд других, реализуется туннельный механизм нелинейного поглощения света. С использованием выражения для вероятности туннельного поглощения был определен порог абляции и впервые дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости величины порога абляции от ширины запрещенной зоны, который зависит как ширина запрещенной зоны в кубе.

7. Представлены результаты по теоретическому исследованию кинетики кристаллизации металлов из расплава при сверхбыстрых скоростях охлаждения, реализуемых при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами. Учет условий, реализуемых при сверхбыстрых скоростях охлаждения: плоской формы зародыша, достаточного количества зародышей сверхкритического размера и отсутствия очень больших зародышей, позволил найти в явном виде решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам, не используя при этом широко применяемый в литературе метод усреднения коэффициентов диффузии. На основе этого решения были определены размеры образующихся кристаллических зерен и относительный объем закристаллизовавшейся фазы. Расчеты были проведены для трех металлов — железа, никеля и алюминия и для скоростей охлаждения, реализуемых в этих металлах при обработке их лазерными импульсами ультракороткой длительности. Размер зародышей кристаллической фазы позволяет определить получаемые при охлаждении после лазерного воздействия размеры кристаллитов в зависимости от скорости охлаждения. Было показано, что при длительности лазерного импульса порядка 10 не реализуются скорости охлаждения порядка 1010 К/с, что позволяет при охлаждении из расплава получить нанокристаллические образования, размером порядка 100-400 не. Уменьшение длительности ЛИ до 100 фс и соответствующее увеличение скорости охлаждения допускает образование нанокристаллитов порядка 10 нм. На основе анализа относительной доли закристаллизовавшейся фазы был получен кинетический критерий аморфиза-ции, позволяющий определить критическую скорость охлаждения, превышение которой приводит к подавлению процесса кристаллизации и образованию амор-фоподобной фазы.

Список основных публикаций по теме диссертации

[AI] Авторское свидетельство А. с. 1280890 СССР. Способ термической обработки легированных и высоколегированных сталей // Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А. - Заявка №3852760, Приоритет изобретения 06.11.1984; Опубликовано 01.09.1986.

[А2] Басов Н.Г., Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А. Преимущества тепловых циклов с выдержкой при лазерной закалке сталей: кинетическая и теплофизическая модели. // Применение лазеров в народном хозяйстве. - М.: Наука, 1986. - с. 88-95.

[A3] Баландина Г.Ю., Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А. О причине смещения температуры инструментального начала аустенитного превращения в сталях при скоростном и лазерном нагреве // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13.-№ 11.-с. 2315-2319.

[A4] Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И. Сравнительный анализ двух и трехстадииных термических циклов при поверхностной лазерной закалке сталей // Физика и химия обработки материалов. - 1986. - №3. — с. 88-95. [А5] Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А., Каюков C.B., Петров A.JL Особенности структурно-фазовых превращений в высоколегированных сталях при лазерной термообработке // Квантовая электроника. - 1987. - Т. 14. - № 12.

- с. 2343-2549.

[А6] Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Расчет характеристик упрочненного слоя в модели лазерной закалки сталей // Квантовая электроника.

- 1989. - Т. 16. - № 8. - с. 1636-1642.

[А7] Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А., Шишковский И.В. Физические основы моделирования и оптимизации процесса лазерной поверхностной закалки сталей // Труды ФИАН. - 1989. - №198. - с. 5-23. [А8] Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Моделирование лазерной закалки сталей с учетом тепловых, кинетических и диффузионных процессов//Физика и химия обработки материалов - 1989.- №. 5.-с.50-57. [А9] Завестовская И.Н., Катулин В.А. Лазерные технологии. // Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Техника": № 1 -М.: Знание. 1990.-е. 3-37. [А 10] Fedechev A. F., Igoshin V. I., Zavestovskaja I. N., Shishkovskii I.V. Theoretical and Numerical Analysis of Stresses in a Laser Hardening Model. // Journal of a Soviet Laser Research, 1991.-V.12.-No.4.-p. 365-382. doi: 10.1007/BF01120376 [All] Завестовская И.Н., Игошин В.И., Канавин А.П., Катулин В.А., Шишковский И.В. Теоретическое и численное исследование процессов лазерной амор-36

физации и получения мелкокристаллических структур // Труды ФИАН — 1993. — Т.217. — с. 3-13.

[А 12] Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Теоретическое и численное исследование напряжений при лазерной закалке сталей // Труды ФИАН -1993.-Т.217.-с. 13-36.

[А13] Afanasiev Y.V., Zavestobskaya I.N., Kanavin А.Р., Kayukov S.V. Deep Melting of Metals by Specially Profiled Laser Pulses // Laser Interaction and Related Plasma Phenomena. - American Institute of Physics Conf. Proc. 1995. - p.1274-1279. [A14] Bertyaev B.I., Igoshin V.I., Katulin V.A., Zavestovskaya I.N., Shishkovskiy I.V. Physical Principles of Simulation and Optimization of Laser-Induced Surface Hardening of Steels // Journarof Russian Laser Research. - 1999. - V.17 - p. 164184.

[A15] Каюков C.B., Гусев A.A., Зайчиков Е.Г., Петров A.JI., Афанасьев Ю.В., Завестовская И.Н., Канавин А.П. Глубокое плавление металлов импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности. // Известия АН. Серия физическая. - 1997. - Т.61. - № 8 - с. 1546-1553.

[А 16] Afanasiev Yu.V, Isakov V.A., Zavestovskaya I.N., Chichkov B.N., Von Alvensleben F., Welling H. Hydrodynamic regimes of UV laser ablation of polymers // Appl. Phys. - 1997. - A64 - p. 561-572.

[A17] Афанасьев Ю.В., Демченко H.H., Завестовская И.Н., Исаков В.А., Канавин А.П., Урюпин С.А., Чичков Б.Н. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами // Известия АН. Серия физическая - 1999. -Т.63. -№4. — с.667-675.

[А 18] Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Demchenko N.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Ablation of metals by ultrashort laser pulses: theoretical modeling and computer simulation // J. of Russian Laser Research. - 1999. - V.20(2). - p. 89115.

[A 19] Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Demchenko N.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Hydrodynamic regime of laser ablation of metals by ultrashort pulses of low fluence // J. of Russian Laser Research. - 1999. - V.20(6). — p.489-496. [A20] Afanasiev Yu.V., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N., Chichkov B.N., Von Alvensleben F., Welling H. Hydrodynamic model for UV laser ablation of polymers // Laser and Particle Beams - 1999.-V. 17(4).-№437.-p. 585-590. [A21] Афанасьев Ю.В., Завестовская И.Н., Зворыкин В.Д., Ионин А.А., Сенатский Ю.В., Стародуб А.Н. Международный форум «Современные мощные лазеры и их применения» // Квантовая электроника - 2000. - Т.ЗО. - №5 - с.462-470.

[А22] Afanasiev Yu.V., B.N. Chichkov, V.A. Isakov, I.N. Zavestovskaya. Laser ablation of organic materials: hydrodynamic model // High Power Laser Action III, Claude R. Phipps Editor, Proc. of SPIE -2000. - V.4065. - p. 301-307. [A23] Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Extended two-temperature Model of laser ablation of metals // High Power Laser Action III, Claude R. Phipps Editor, Proc. of SPIE - 2000. - V.4065. - p.349-354. [A24] Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Demchenko N.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Threshold characteristics of short and ultrashort laser pulse ablation of metals // High Power Laser Action IV. Claude R. Phipps Editor, Proc. of SPIE. -2002. - V. 4760. - p. 424-431.

[A25] Завестовская И.Н. II Азиатско-Тихоокеанская конференция Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники // Квантовая электроника. - 2002. -Т.32,- №11 -с.1033-1034.

[А26] Zavestovskaya I.N., Eliseev P.G., Krokhin O.N. Nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high power and ultrashort laser pulses // Applied Surface Science - 2005. - V.248. - p.313-315.

[A27] Zavestovskaya I.N., Glazov O.A., Men'kova N.A. High power and Ultrashort laser pulses ablation of metals: Threshold characteristics // Laser-Mater Interaction, Proceeding of SPIE-2007. - V.6735. - p. 673512.

[A28] Завестовская И.Н., Канавин А.П., Менькова H.A. Кристаллизация металлов в условиях сверхбыстрого охлаждения при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами // Оптический журнал — 2008. — Т.75. — №6. — с. 13-19.

[А29] Zavestovskaya I.N., Eliseev P.G., Krokhin O.N., Men'kova N. A. Analysis of the nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high-intensity and ultrashort laser pulses // Appl. Phys. A - 2008. - V.92. - p.903-906. [A30] Zavestovskaya I.N. Ultrashort laser pulses induced metal surface micro- and nanostructures production: Kinetics of crystallization // Pacific Science Review. -2008,- V.10.- No.2.-p.218-222.

[A31] Завестовская И.Н. Лазерное наноструктуирование поверхности материалов // Квантовая электроника. - 2010. - Т.40. - № 11.-е. 942-954. [А32] Zavestovskaya I.N. Laser assisted metal surface micro- and nanostructurization // Laser Particle Beam. - 2010. - V.28. - p.437.

[A33] Kanavin A., Kozlovskaya N., Krokhin O., Zavestovskaya I. Laser nanostructurization of the metal and alloy surfaces // American Institute of Physics Conf. Proc. -2010,- V.1278-p.l 11-120.

[А34] Zavestovskaya I.N. Laser ablation of polymers // Pacific Science Review. -2010,- V.12. — No.l. -p.56-58.

[A35] Eliseev Peter G., Kozlovskaya Natalia A., Krokhin Oleg N., Zavestovskaya Irina N. Nonlinear Mechanisms of Light Beam Absorption in Transparent Materials under High Power Laser Action // American Institute of Physics Conf. Proc. - 2010. -V.1278.- Issue l.-p. 582.

[A36] Kanavin A.P., Zavestovskaya I.N., Borin S.B. Theoretical Modeling of Laser-Direct Writing // Pacific Science Review - 2011. - V. 13. - p.78-84. Список цитируемой литературы

[1] Басов Н. Г., Крохин О. Н. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора // ЖЭТФ, - 1964. - Т.46. - Вып. 1.-е. 171-175.

[2] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. - М.: Наука, 1970.

[3] Ready J.F. Effect of High Power Laser Radiation. - New York: Academic Press, 1971.

[4] Криштал M.A., Жуков A.A., Кокора A.H. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. - М.: Металлургия, 1973. - 191 с.

[5] Миркин Л.И.. Физические основы обработки материалов лучами лазера. -М.: МГУ, 1975. - 383 с.

[6] Лазерная технология и автоматизация исследований: Труды ФИАН / Под ред. В.А. Катулина. -М.: Наука, 1989. Т.198 -224с.

[7] Prokhorov A.M., Konov V.I., Ursu I., Mihailesku I.N. Laser Heating of Metals. - Bristol: Hilger, 1990.

[8] Ананьин О.Б., Афанасьев Ю.В., Быковский Ю.А., Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применения. - М.: МИФИ, 2003.-400 с.

[9] Кристиан Дж. Теория фазовых превращений в металлах и сплавах. Часть 1. -М.: Мир, 1978.-806 с.

[10] Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. -М.: Металлургия, 1982. - 127с.

[11] Астапчик С.А. Особенности фазовых и структурных превращений в сталях при лазерной термообработке. Тезисы докладов Всесоюзного совещания по применению лазеров в технологии машиностроения. -М: Наука, 1982. - с.89-90.

[12] Li W.B., Esterling К.Е., Ashby M.F., Laser transformation hardening of steel: II. Hypereutectoid steels// Acta Metal.- 1986.-No.34.-p.1533-1543.

[13] Kamlage G., Bauer Т., Ostendorf A., Chichkov B.N. Deep drilling of metals by femtosecond laser pulses // Appl.Phys. A. - 2003 - V.77. - p. 307-310.

[14] Katayama S., Kohsaka S., Mizutani M., Nishizawa K., Matsunawa A. Pulse Shape Optimization for Defect Prevention in Pulsed Laser Welding of Stainless Steels // Proc. Int. Conf. ICALEO, 1993. - P. 487-497.

[15] Каюков C.B., Гусев A.A. Влияние параметров лазерного пучка на глубину и эффективность плавления металлов импульсным лазерным излучением // Квантовая электроника. - 1996. - Т. 23 - № 8. - С. 711-714.

[16] Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Kanavin A.P., Uryupin S.A. Thermal regime of laser ablation of metals by ultrashort pulses of low fluence. // Journal of Russian Laser Research. - 1999. - V.20. - No.6. - p.189-196.

[17] Fogarassy E, Lazare S (Eds). Laser Ablation of Electronic Materials - Basic Mechanisms and Applications // Proc. E-MRS. - 1992. - V.4. - p.4.

[18] Sauerbreg R., Pettit G. Fluence-dependent transmission of polyimide at 248 nm under laser ablation conditions // Appl. Phys. Lett. - 1991. - V. 58. - p. 793-795.

[19] D'Couto G.C., Babu S.V. Heat-transfer and material removal in pulsed excimer-laser-induced ablation - Pulsewidth dependence // J. Appl. Phys. - 1994. — V.76. — p. 3052.

[20] Eliseev P.G., Sun H.-B., Juodkazis S., Sugahara Т., Sakai S., Misawa H. Laser-induced damage threshold and surface processing of GaN at 400 nm wavelength // Japan. J. Appl. Phys. - 1999. - V.38. -p.839-841.

[21] Келдыш JI.B. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны // ЖЭТФ - 1964. - Т. 47. - с. 1945.

[22] Uteza О.Р., Gamaly E.G., Rode A.V., Samoc M„ Luter-Davies B. Gallium transformation under femtosecond laser exitation: Phase coexistence and incomplete melting. // Phys. Rev. B. - 2004. - V.70. - p. 054108.

[23] Vorobyev A.Y., Guo C. Femtosecond laser nanostructuring of metals // Optics express. - 2006. - V.14 (6) -p.2164-2169.

[24] Безотосный B.B., Бондарев В.Ю., Коваленко В.И., Крохин О.Н., Певцов В.Ф., Попов Ю.М., Токарев В.Н, Чешев Е.А. Модификация структуры металлических пленок излучением твердотельного лазера с диодной накачкой для повышения выходных параметров мощных лазерных диодов // Квантовая Электроника. - 2007. - Т. 37.- №11.-с. 1055-1059.

[25] Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. - М: Металлургия, 1982.

[26] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Статистическая физика. Часть I. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976.-584 с. (т. V)

Подписано в печать 15.10.2012 г. Формат 60x84/16. Заказ №63. Тираж 90 экз. П.л 2.75. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Введение.

Глава 1. Моделирование процессов фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах в процессах лазерной поверхностной термообработки

1.1. Лазерная поверхностная термообработка металлов. Анализ физических процессов и выбор теоретической модели

1.2. Кинетика процесса лазерной аустенитизации сталей

1.3. Роль внутренних механических напряжений при лазерной аустенитизации сталей и последующей закалке

1.4. Смещение температуры начала аустенитного превращения в сталях при лазерном нагреве

1.5. Теоретический и численный анализ оптимальных режимов лазерного упрочнения сталей

1.6. Лазерная сварка металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления

1.6.1. Режим глубокого проплавления как оптимальный режим для технологий импульсной лазерной сварки. Экспериментальные результаты.

1.6.2. Теоретическое моделирование процессов импульсной лазерной сварки металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления 71 Выводы к Главе

Глава 2. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии.

2.1 Особенности абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами: экспериментальные результаты

2.2. Абляция металлов ультракороткими лазерными импульсами: теоретическое моделирование

2.3. Пороги абляции металлов при воздействии на них ультракоротких лазерных импульсов с энергией вблизи порога абляции

2.4. Лазерная абляция металлов пикосекундными импульсами низкой плотности 100 Выводы к Главе

Глава 3. Моделирование процессов лазерной абляции органических материалов и полимеров

3.1. Отличительные черты лазерной абляции полимеров. Экспериментальные результаты.

3.2. Механизмы лазерной абляции полимеров

3.3. Теоретическое моделирование УФ лазерной абляции полимеров

3.3.1. Сильнопоглощающие полимеры.

3.3.2. Слабопоглощающие полимеры.

3.4. Термодинамические особенности "холодной" абляции полимеров 131 Выводы к Главе

Глава 4. Теоретическое моделирование лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков

4.1. Лазерные технологии в применении к полупроводникам

4.2. Экспериментальные результаты по лазерному травлению широкозонных полупроводников и диэлектриков и их анализ

4.3. Механизмы нелинейного поглощения и пороги абляции в широкозонных полупроводниках и диэлектриках при воздействии лазерными импульсами фемтосекундной длительности 145 Выводы к Главе

Глава 5. Теоретическое моделирование процессов лазерного наноструктуирования материалов-.

5.1. Лазерные технологии прямого нано- и микроструктуирования поверхности материалов

5.2. Особенности лазерного нано- и микроструктуирования поверхности металлов. Экспериментальные результаты

5.3. Теоретическое моделирование процессов нанокристаллизации металлов под действием лазерных импульсов

5.4. Критерий лазерной аморфизации 180 Выводы к Главе

В 2010 году исполнилось и широко отмечалось мировой научной общественностью 50 лет со дня создания лазеров. Практически столько же развиваются и лазерные технологии, в том числе, лазерные технологии, основанные на поверхностной обработке материалов, приводящие к модификации структуры и свойств материалов [1-11]. С помощью лазерного луча можно с высокой скоростью и предельной точностью раскроить любые, в том числе и сверхпрочные, материалы, прочно сварить даже качественно разнородные вещества, например, металл и керамику, пробить глубокие, тонкие отверстия в сверхпрочных материалах, закалить и повысить износостойкость деталей машин и режущего инструмента.

Стимулом к развитию лазерных технологий в последнее время является прогресс в развитии лазерной техники, генерирующей импульсы излучения короткой и ультракороткой длительности. Деление на длинные, короткие и ультракороткие длительности лазерных импульсов, появившееся в литературе, условно и предполагает длинными лазерные импульсы от миллисеунд до микросекунд, короткими - нано- и пикосекундные импульсы и ультракороткие субпикосекундные и фемтосекундные длительности импульсов. Активно идет процесс усовершенствования и удешевления фемтосекундной лазерной техники, которая зарекомендовала себя как эффективный инструмент в области лазерных применений [12-21]. Кроме того, в последние годы в лазерной технологии все шире используются твердотельные лазеры с диодной накачкой, генерирующие излучение с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне [22-24]. Преимущества этих лазеров связаны с их малыми размерами, хорошим качеством пучка и высокой эффективностью.

Вопросам взаимодействия лазерного излучения с веществом посвящено большое количество монографий и журнальных публикаций (см., например, [10, 25-29] и ссылки в них). Историческим импульсом для начала активного и всестороннего исследования физических основ взаимодействия лазерного излучения с веществом можно считать высказанную уже более 40 лет назад Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным идею использования лазеров в управляемом термоядерном синтезе [30]. В основополагающих работах О.Н. Крохина и Ю.В. Афанасьева того времени [31-33] была представлена физическая картина процессов, происходящих при воздействии на твердое тело лазерных импульсов наносекундной и большей длительностей с различными интенсивностями.

Во время действия лазерного импульса энергия излучения сначала поглощается электронами в области проникновения излучения в вещество, затем за счет процессов теплопроводности передается вглубь материала и в решетку посредством электрон-фононного взаимодействия. Механизмы поглощения лазерного излучения электронами могут быть как линейными, так и нелинейными. Нелинейное поглощение света при воздействии лазерного излучения высокой интенсивности широко обсуждается в литературе, т.к. определяет эффективность ультракороткого лазерного воздействия на прозрачные материалы, такие как широкозонные полупроводники и диэлектрики [34-38]. Ультракороткие лазерные импульсы быстро нагревают электронную систему до температур порядка десятков тысяч градусов, сохраняя решетку при комнатной температуре. Передача энергии от электронов фононам решетки происходит за несколько пикосекунд. Особенности кинетики процессов термализации электронов, передача энергии от электронов в решетку, времена этих процессов рассматриваются в ряде публикаций [10,39]. Нагретая область становится источником тепловой волны, распространяющейся внутрь тела (процессы теплопроводности при воздействии фемтосекундных импульсов на металлы в неравновесных условиях рассмотрены в [40,41]).

При достаточно высоких интенсивностях лазерного воздействия могут наблюдаться структурные и фазовые изменения, такие как полиморфные превращения, плавление, испарение с возможным образованием лазерной плазмы и абляция с удалением с поверхности атомов или отдельных фрагментов исходного материала [10,25-28,42-48].

Дозируя тепловые нагрузки (плотность мощности лазерного излучения на поверхности материала), можно обеспечить практически любой температурно-временной режим нагреваемого участка. Диапазон интенсивностей в лазерной технологии очень широк от 104до 1013 Вт/см2 и определяется параметрами материала и технологическим процессом. Соответственно широк диапазон длительностей лазерных импульсов, используемых в различных лазерных технологиях: от миллисекунд - до фемтосекунд. Выбор режима определяет вид технологической обработки.

В настоящее время разработаны и применяются следующие виды технологических процессов лазерной обработки: термообработка поверхности, резка и сварка материалов, наплавка, отжиг, травление, сверление отверстий, маркировка поверхностей, лазерное письмо и т.д. В результате протекающих фазовых и структурных изменений возможно образование наноструктур на поверхности материала, внутри материала, а также наночастиц вне него.

Интенсивный рост внедрения методов поверхностной лазерной модификации материалов в производство и медицину делает все более актуальной проблему оптимизации режимов лазерного воздействия. Оптимизация включает в себя выбор способа лазерного воздействия и параметров лазерного импульса с целью контролируемого воспроизводимого получения структуры с требуемыми физическими и механическими свойствами.

Решение этой задачи выдвигает на первый план изучение особенностей фазовых и структурных превращений в материалах при лазерном воздействии.

Настоящая диссертационная работа посвящена построению моделей, теоретическому и численному анализу физических явлений, происходящих в материалах в процессах лазерных поверхностных воздействий.

Актуальность темы диссертации

В диссертации представлены модели физических процессов, лежащих в основе ряда лазерных технологий, широко используемых в производстве, науке и медицине или планируемых к использованию. Необходимость оптимизации режимов лазерного воздействия для реализации практических применений на основе теоретического и численного анализа определяет актуальность выбранной тематики.

Цель работы

Целью работы было выявление физической картины процессов импульсной лазерной поверхностной обработки различных материалов, построение теоретических и численных моделей для оптимизации режимов лазерного воздействия (выбора интенсивности и длительности лазерного импульса).

Постановка задачи

Задачей теоретических исследований, представленных в диссертационной работе, явилось комплексное исследование физических процессов, лежащих в основе лазерных технологий с использованием лазерных импульсов; построение на основе этих исследований теоретических моделей; определение технологических характеристик и оптимальных режимов лазерного воздействия для реализации соответствующих лазерных технологий. Были выбраны технологии, охватывающие широкий диапазон параметров лазерных импульсов: длительностей лазерных импульсов г (от миллисекунд до фемтосекунд) и

2 2 14 2 интенсивностей д (от 10 Вт/см до 10 Вт/см ). К рассматриваемым процессам относятся процессы, определяющие следующие лазерные технологии:

• Лазерная закалка сталей (Глава 1): д ~ (10 -10 ) Вт/см , г ~ (1-10) мс.

• Лазерная сварка металлов в режиме глубокого проплавления (Глава 1): ц ~ (104 - 106) Вт/см2, т ~ (1-10) мс.

• Лазерная абляция ультракороткими лазерными импульсами металлов (Глава 2): ц ~ (1012 - 1013) Вт/см2, г ~ (100фс-10пс), полимеров (Глава

7 12 2

3): д ~ (10 -10) Вт/см , г ~ (300фс-20нс) и широкозонных полупроводников и диэлектриков (Глава 4): ~ (1013 - 1014) Вт/см2, т ~ 100 фс.

• Лазерное наноструктуирование материалов (Глава 5). Для режима лазерной нанокристаллизации металлов возможно использование длительности импульса от миллисекунд до фемтосекунд в зависимости от материала, его свойств и структуры. Определяющим является реализуемая после окончания действия лазерного импульса скорость охлаждения материала.

Представленные в диссертации исследования проводились в тесном контакте с экспериментальными группами.

Работы по моделированию процессов термоупрочнения и глубокой сварки металлов и сплавов длинными (миллисекундными) импульсами лазерного излучения проводились в сотрудничестве с Самарским филиалом ФИАН, г. Самара, Институтом физики твердого тела, г. Дрезден (Германия), а также с Инженерным факультетом Университета г. Нагойя (Япония) и Институтом сварки г. Осака (Япония). Эксперименты по лазерной закалке сталей с использованием режима лазерного нагрева с выдержкой (трехстадийного цикла лазерного нагрева) были инициированы работами автора и реализованы в Самарском филиале ФИАН, г. Самара, и Институте физики твердого тела, г. Дрезден (Германия).

Работы по теоретическому моделированию лазерной абляции металлов и полимеров ультракороткими лазерными импульсами проводились в рамках совместного научного проекта с Лазерным центром г.

Ганновера (Германия). Работы по лазерной абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков мощными фемтосекундными импульсами лазерного излучения - в сотрудничестве с Центром высокотехнологичных материалов Университета Нью Мехико, г. Альбукерке (США). Работы по лазерному наноструктуированию - в сотрудничестве с группой полупроводниковых лазеров ФИАН, г. Москва.

Нацеленность теоретических исследований на оптимизацию режимов технологических процессов лазерной обработки определила, с одной стороны, выбор исследуемых лазерных режимов, с другой стороны, - выбор методики теоретических исследований.

Лазерные технологии поверхностной обработки используют режимы лазерного воздействия, работающие вблизи порогов соответствующих структурных или фазовых превращений, лежащих в основе технологического процесса. Так, процессы лазерной аустенитизации протекают в области температур нагрева между порогом начала полиморфного превращения и температурой плавления. Лазерная сварка: от температуры плавления до начала температуры испарения и т.д. Соответствующие диапазоны длительностей и интенсивностей лазерного излучения представлены выше. Исследованию физики процессов на границе пороговых режимов и определению пороговых характеристик уделено особое внимание в диссертации.

Отличительной особенностью проведенных теоретических исследований была также нацеленность на получение аналитических выражений, описывающих технологические характеристики процесса. К ним относятся температурные профили нагрева и охлаждения, зависимости глубин закалки, проплавления (сварного шва), абляции (травления), а также зависимости пороговых значений плотности энергии лазерного импульса и скоростей соответствующих процессов от параметров лазерного импульса (интенсивности и длительности) и термодинамических характеристик метериала (ширины запрещенной зоны, энергии активации и т.п.). Наличие таких явных зависимостей облегчает сравнение с экспериментальными результатами и позволяет прогнозировать выбор оптимальных режимов лазерного воздействия.

На момент постановки задачи для каждой из перечисленных выше технологий был определен круг задач, необходимых для решения. Широкий диапазон интенсивностей и длительностей лазерных импульсов позволил автору исследовать различные механизмы фазовых превращений по мере увеличения интенсивности и уменьшения длительности лазерного импульса. Были исследованы полиморфные превращения (аустенитизация сталей) при лазерном нагреве без плавления поверхности, процесс плавления и образование глубокого парогазового канала (сварного шва) (Глава 1); процессы абляции металлов (Глава 2) и полимеров (Глава 3) ультракороткими лазерными импульсами; механизмы нелинейного поглощения света в прозрачных материалах - широкозонных полупроводниках и диэлектриках (Глава 4), а также кинетика процесса рекристаллизации металлов при скоростном охлаждении из расплава после окончания действия лазерного импульса (Глава 5).

Научная новизна

Для каждой из исследуемых лазерных технологий были рассмотрены процессы и построены модели, не существующие или разработанные не в достаточной степени на момент постановки задачи. В диссертационной работе впервые:

1. Построена теоретически модель процессов, определяющих импульсную лазерную закалку сталей, а именно процесс аустенитизации сталей при лазерном нагреве, включающая в себя самосогласованное решение уравнений теплопроводности, кинетического уравнения роста новой фазы при полиморфном превращении и диффузии углерода, а также пластической деформации. Модель позволяет определять глубину и твердость упрочненного слоя в зависимости от параметров лазерного режима для широкого круга сталей.

2. Предложен и проанализирован цикл термообработки сталей и сплавов, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения. Трехстадийный цикл позволяет обеспечить необходимую степень аустенитизации стали при нагреве и требуемый для упрочнения размер кристаллических зерен структуры и является оптимальным для лазерной закалки сталей.

3. Предложена теоретическая модель лазерной сварки металлов и сплавов в режиме глубокого проплавления, основанная на необходимости профилирования лазерного импульса с целью образования достаточного объема ванны расплава при низкой плотности лазерной энергии и обеспечения условий гидродинамического развития парогазового канала при увеличении интенсивности лазерного излучения до максимальных значений.

4. Получены аналитические выражения для порогов лазерной абляции металлов в режиме низких плотностей энергии лазерного излучения в зависимости от длительности лазерного импульса (для пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов). Определена критическая длительность лазерного импульса, меньше которой величина пороговой энергии лазерной абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами перестает зависеть от длительности лазерного импульса.

5. Определены глубины абляции и обоснованы термодинамические особенности абляции полимеров ультрафиолетовыми лазерными импульсами. Показано, что основная часть энергии удаленных (испаренных) частиц содержится во внутренних степенях свободы, что обуславливает эффект так называемой «холодной» абляции полимеров.

6. Определен порог абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости порога абляции широкозонных полупроводников и диэлектриков от ширины запрещенной зоны с использованием туннельного механизма нелинейного поглощения лазерного излучения в диапазоне высокой интенсивности и фемтосекундной длительности лазерного излучения.

7. Получено аналитическое решение кинетического уравнения, описывающего рост кристаллической фазы в расплаве в условиях сверхбыстрого охлаждения, реализуемого при лазерном воздействии, позволяющее определить размер кристаллического зародыша, относительный объем кристаллической фазы и критическую скорость охлаждения, при которой возможно образование аморфной фазы.

Практическая значимость

Разработанные в работе новые модели механизмов, лежащих в основе различных лазерных технологий, могут применяться как самостоятельно, так и совместно с другими численными методами исследования лазерных технологий и позволяют получать новые знания о механизмах взаимодействия лазерных импульсов различной длительности с материалами. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации режимов применяемых лазерных технологий, при развитии новых методик лазерных технологий или для расширения области применения исследованных лазерных технологий.

На защиту выносятся:

ПОЛОЖЕНИЕ 1. Модель лазерной закалки сталей, основанная на самосогласованном рассмотрении при лазерном нагреве процессов теплопроводности, кинетики аустенитного превращения, диффузии углерода и легирующих примесей, включая распад карбидной фазы, а также пластической деформации. Модель позволяет (теоретически и численно) при заданных параметрах режима лазерного воздействия (интенсивности и длительности лазерного импульса) определить для широкого круга сталей технологические параметры лазерной закалки сталей: глубину и твердость упрочненного слоя.

ПОЛОЖЕНИЕ 2. Новый цикл термообработки, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения, позволяющий увеличить время воздействия без снижения скорости нагрева и тем самым обеспечить необходимую для закалки степень полиморфного превращения. Трехстадийный цикл термообработки позволяет реализовать оптимальный цикл лазерной закалки сталей для широкого набора марок сталей.

ПОЛОЖЕНИЕ 3. Теоретическая модель сварки металлов импульсами лазерного излучения в режиме глубокого пропдавления. Модель основана на необходимости формирования буферного объема ванны расплава на первом этапе нагрева при низких значениях интенсивности лазерного излучения, и затем, на втором этапе, при увеличении интенсивности лазерного излучения до его максимального значения обеспечение условий гидродинамического развития парогазового канала. Модель позволяет определить параметры оптимальной формы лазерного импульса, обеспечивающего режим глубокого проплавления.

ПОЛОЖЕНИЕ 4. Результаты теоретического исследования абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии, позволившие определить аналитические выражения для пороговых значений лазерного потока абляции и температуры решетки для двух диапазонов длительностей лазерного излучения - пико- и фемтосекундных длительностей. Показано, что для каждого металла существует величина длительности импульса лазерного излучения, меньше которой порог абляции не зависит от длительности лазерного импульса.

ПОЛОЖЕНИЕ 5. Результаты теоретического исследования гидродинамики лазерной абляции полимеров ультракороткими лазерными импульсами, основанные на рассмотрении абляции полимера как процесса фазового перехода I рода и позволившие определить термодинамического состояние продуктов абляции полимера. Показано, что продукты абляции полимеров находятся в возбужденном состоянии, что позволяет объяснить так называемый эффект «холодной» абляции полимеров под действием ультракоротких лазерных импульсов.

ПОЛОЖЕНИЕ 6. Результаты теоретического исследования лазерной абляции прозрачных материалов с использованием интенсивного лазерного излучения порядка десятков ТВт/см2 и фемтосекундных импульсов. Показано, что в указанном диапазоне интенсивностей и длительностей лазерного излучения реализуется туннельный механизм нелинейного поглощения света для широкозонных полупроводников и диэлектриков, получено аналитическое выражение для порога абляции и дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости величины порога абляции от ширины запрещенной зоны.

ПОЛОЖЕНИЕ 7. Результаты по теоретическому исследованию кинетики кристаллизации металлов из расплава при сверхбыстрых скоростях охлаждения, реализуемых при обработке материалов лазерными импульсами. Получено аналитическое решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам при сверхбыстрых скоростях охлаждения, позволившее определить размеры образующихся кристаллических зерен и относительный объем закристаллизовавшейся фазы, а также критическую скорость охлаждения, превышение которой приводит к образованию аморфной фазы.

Личный вклад

Автор принимала непосредственное и определяющее участие на всех этапах теоретических исследований, результаты которых представлены в диссертации. Идеи по необходимости реализации при лазерной закалке сталей трехстадийного теплового цикла воздействия, анализу термодинамического состояния продуктов абляции полимеров для объяснения механизмов «холодной» абляции полимеров, выбор условий для аналитического решения кинетического уравнения для функции распределения зародышей кристаллической фазы по размерам, определение критерия аморфизации принадлежат лично автору. Автор принимала непосредственное участие в разработке нового подхода к изучению процессов глубокого проплавления металлов и сплавов, в анализе результатов исследования абляции металлов ультракототкими лазерными импульсами, а также в выявлении природы зависимости порога абляции широкозонных полупроводников от ширины запрещенной зоны.

Под ее руководством в 1992 г. была защищена кандидатская диссертация И.В. Шишковским на тему: «Теоретическое моделирование физических процессов при лазерной закалке сталей». Автор является руководителем грантов РФФИ, исполнителем в проектах Президиума и ОФН РАН. Принимала участие в совместной работе по ряду международных проектов: с Институтом сварки Университета г. Осака и Университетом г. Нагойя (Япония), Лазерным центром в г. Ганновере (Германия), с Университетом г. Эдинбурга (Великобритания), Центром высокотехнологичных материалов Университета штата Нью-Мехико, г. Альбукерке (США) и др.

Достоверность

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов теоретического и численного анализа, а также хорошим соответствием полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, использованием разработанных теоретических моделей различными экспериментальными группами, а также на производстве.

Апробация

Основные результаты работы доложены на научных семинарах ФИАН, МГУ, Института физики твердого тела (Дрезден, Германия), Университета г. Штутгарта (Германия). Хериотт-Ватт Университета в Эдинбурге (Великобритания), Университетах гг. Нагойя и Осака (Япония), а также всесоюзных, российских и международных конференциях, школах и симпозиумах.

Основные результаты были представлены:

• Всесоюзная конференция по применению лазеров в народном хозяйстве, Россия, Звенигород (1985);

• Всесоюзный научно-технический симпозиум «Повышение износостойкости и усталостной прочности деталей машин обработкой концентрированными потоками энергии, Россия, Звенигород (1985);

• 5 Wissenschaftliche Konf. Rationalisierung im Maschinenbau, Zwickau, DDR (1985)

• 5th Int. Conf. on Laser and their Applications, Dresden, DDR (1985).

• Всесоюзная научно-техническая конференция, Гомель, Белоруссия (1985), г. Телави, Грузия (1987);

• XI Всесоюзная конференция «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов», Россия, Куйбышев, (1986);

• International Conference "Laser Advanced Material Processing" (LAMP): Nagaoka, Japan (1992);

• European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM): Italy (1998), Moscow (2002), Spain (2006), Hungary (2010), Poland (2012).

• High Power Laser Ablation (HPLA), USA (2000), (2002), (2010). tb

• 11 International Conference on Plasma Physics, Australia (2002)

• International cjnfernce on the frontiers of plasma and technology (FPPT): Bangalore, India (2002), Tailand (2007), Nepal (2009);

• Asia-Pacific conference on fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM): Russia (2002), (2004), (2006) (2011), China (2005), Japan (2008), Korea (2010).

• International Conference on Laser Ablation (COLA): Creta, Grece (2003), Tenerife, Spain (2007), Singapore (2009)

• International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA): France (2005), (2011). tVi

• 16 International Laser Physics Workshop, Mexico, Leon (2007).

• Полупроводниковые лазеры: физика и технология, Санкт-Петербург, Россия (2008), (2010), (2012).

• Симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур: Россия, Звенигород (2007), Москва-Звенигород (2009), (2011).

• 14th International Conference "Laser Optics 2010" Sankt-Petersburg (2010).

Публикации

По материалам диссертации получено авторское свидетельство, опубликовано 77 работ, из них в рецензируемых журналах - 26.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 221 странице, включая 70 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 77 наименования авторских публикаций и 220 наименований цитируемой литературы.

Основные результаты:

1. Разработана модель лазерной закалки сталей, основанная на самосогласованном рассмотрении процессов, определяющих аустенитное превращение сталей при скоростном лазерном нагреве (лазерная аустенитизация сталей). Предложенная модель аустенитизации впервые включила в рассмотрение одновременное решение (теоретическое и численное) системы уравнений, описывающих процесс теплопроводности, кинетики полиморфного превращения железа, диффузии углерода, включая распад карбидной фазы, а также пластической деформации, с учетом исходного фазового состояния и структуры материала. Модель позволяет определить: 1) времена процессов, обеспечивающих требуемую степень аустенитного превращения для обеспечения на этапе охлаждения заданной степени закалки стали; 2) глубину и твердость упрочненного слоя для заданных значений параметров режима лазерного воздействия (интенсивности и длительности лазерного импульса). Представлены результаты численных расчетов для широкого круга сталей (углеродистых и высоколегированных инструментальных) при обработке их миллисекундными лазерными импульсами (1-1 Оме) в режиме без оплавления поверхности. Для конструкционных сталей расчет твердости был произведен впервые и полученные результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

2. Предложен и теоретически и численно проанализирован новый цикл термообработки, реализуемый при лазерном воздействии, содержащий стадию быстрого нагрева, изотермической выдержки и быстрого охлаждения, позволяющий увеличить время воздействия без снижения скорости нагрева и тем самым обеспечить необходимую для закалки степень полиморфного превращения и требуемый для упрочнения размер кристаллических зерен структуры. Трехстадийный цикл термообработки позволяет реализовать оптимальный цикл лазерной закалки сталей при закалке их на мартенсит для широкого набора марок сталей. Получено выражение для профиля интенсивности лазерного излучения, позволяющего реализовать стадию изотермической выдержки. Трехстадийный цикл лазерного термоупрочнения (авторское свидетельство № 1280890 от 01.09.1986) был реализован в Самарском филиале ФИАН, г. Самара, и Институте физики твердого тела г. Дрездена (Германия)

3. Впервые для объяснения глубокого проплавления металлов в процессах лазерной сварки развита гидродинамическая модель парогазового канала. Оптимальным для лазерной сварки в режиме глубокого проплавления является получение сварного шва с высоким аспектным отношением (отношением глубины шва к его диаметру) и одновременное сохранение ванны расплава без выплескиваний и испарения. Такой режим достигается за счет специального профилирования лазерного импульса, обеспечивающего при низких значениях интенсивности лазерного излучения образование достаточного объема ванны расплава, и - при высоких интенсивностях -эффективное развитие парогазового канала. Для миллисекундных длительностей лазерного импульса были определены параметры интенсивностей и долей длительности импульса для обеспечения процесса глубокого проплавления. Было установлено, что за время порядка 8 мс образуется ванна расплава толщиной порядка 0.3-0.4 мм (диаметр пятна облучения - 0.30-0.32 мм), что позволяет реализовать за оставшиеся 4 мс длительности импульса глубокое проплавление без выброса материала. Были получены результаты по глубине проплавления и скорости развития парогазового канала в зависимости от энергии в импульсе, полностью описывающие экспериментальные данные. Максимальная глубина проплавления за один импульс с энергией 32 Дж, полученная экспериментально для стали ШХ15, составила 6.5 мм, при этом диаметр зоны плавления в средней ее части составил не более 0.4 мм, аспектное отношение превысило 15. Полученные теоретические расчеты полностью совпадают с экспериментальными результатами по глубокой сварке металлов специально спрофмлированными импульсами.

4. В рамках модели тепловой абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами низкой плотности энергии, развитой в рамках двухтемпературной модели, получены аналитические выражения для пороговых значений лазерного потока абляции и температуры решетки для двух диапазонов импульсов лазерной энергии - пико- и фемтосекундных длительностей. Показано, что для каждого металла существует величина длительности импульса лазерного излучения, меньше которой порог абляции не зависит от длительности лазерного излучения, а определяется только величиной плотности лазерной энергии. Например, для золота эта величина составляет 3 пс. Результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, в которых показано, что порог «фемтосекундной» абляции не зависит от длительности лазерного импульса, а пороги «пикосекундной» абляции зависят от длительности лазерного импульса (экспериментально используемые длительности пикосекундных импульсов - это 10 пс и выше).

5. В модели абляции полимеров ультракороткими импульсами ультрафиолетового лазерного излучения, основанной на рассмотрении абляции полимера как процесса фазового перехода I рода, в режиме развитой гидродинамики получены аналитические выражения для глубины абляции за импульс в зависимости от плотности лазерной энергии. Сравнение теоретических значений с экспериментальными данными позволило определить термодинамические параметры продуктов абляции. Было впервые установлено, что параметр адиабаты составляет величину порядка единицы. Термодинамически это означает, что продукты абляции полимеров находятся в возбужденном состоянии, что обуславливает так называемый эффект «холодной» абляции полимеров под действием ультракоротких лазерных импульсов.

6. Проведено теоретическое исследование лазерной абляции прозрачных материалов с использованием интенсивного лазерного излучения л порядка десятков ТВт/см и фемтосекундных импульсов с частотой порядка 101 V. Показано, что в указанном диапазоне интенсивностей и длительностей лазерного излучения для широкозонных полупроводников и диэлектриков (с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ), таких как нитрид галлия, сапфир, плавленое стекло и ряд других, реализуется туннельный механизм нелинейного поглощения света. С использованием выражения для вероятности туннельного поглощения был определен порог абляции и впервые дано объяснение наблюдаемой экспериментально зависимости величины порога абляции от ширины запрещенной зоны, который зависит как ширина запрещенной зоны в кубе.

7. Представлены результаты по теоретическому исследованию кинетики кристаллизации металлов из расплава при сверхбыстрых скоростях охлаждения, реализуемых при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами. Учет условий, реализуемых при сверхбыстрых скоростях охлаждения: плоской формы зародыша, достаточного количества зародышей сверхкритического размера и отсутствия очень больших зародышей, позволил найти в явном виде решение кинетического уравнения для функции распределения числа кристаллитов по размерам, не используя при этом широко применяемый в литературе метод усреднения коэффициентов диффузии. На основе этого решения были определены размеры образующихся кристаллических зерен и относительный объем закристаллизовавшейся фазы. Размер зародышей кристаллической фазы позволяет определить получаемые при охлаждении после лазерного воздействия размеры кристаллитов в зависимости от скорости охлаждения, которая определяется как параметрами режима лазерного воздействия, так и термодинамическими характеристиками материала. На основе анализа относительной доли закристаллизовавшейся фазы был получен кинетический критерий аморфизации, позволяющий определить критическую скорость охлаждения, превышение которой приводит к подавлению процесса кристаллизации и образованию аморфоподобной фазы. Расчеты были проведены для трех металлов - железа, никеля и алюминия и для скоростей охлаждения, реализуемых в этих металлах при обработке их лазерными импульсами наносекундной длительности. Было показано, что при длительности лазерного импульса порядка 10 не реализуются скорости охлаждения порядка Ю10К/с, что позволяет при охлаждении из расплава получить нанокристаллические образования размером порядка 100-400 не. Уменьшение длительности лазерного импульса и соответствующее увеличение скорости охлаждения допускает образование нанокристаллитов порядка 10 нм.

Благодарности

Автор приносит свою искреннюю благодарность всему коллективу Отделения квантовой радиофизики ОКРФ им. Н.Г. Басова ФИАН, и в частности, коллективу сектора теории взаимодействия излучения с веществом этого отделения, а также коллективу группы полупроводниковых лазеров ФИАН, за замечательную творческую атмосферу, поддержку и плодотворное сотрудничество на всех этапах выполнения работы.

Автор выражает особую глубокую благодарность безвременно ушедшим учителям и коллегам, академикам Н.Г. Басову и Л.П. Феоктистову, профессорам Ю.В. Афанасьеву и В.А. Исакову, В.А. Катулину и В.И. Игошину за постоянный интерес к работе, поддержку и возможность обсуждения с ними постановки научных задач и результатов научных исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность академику О.Н. Крохину (ФИАН) за стимулирующий интерес к работе, помощь и поддержку.

Автор глубоко признателен профессору Ю.М. Попову (ФИАН) за многолетний интерес к работе. Автор искренне благодарен профессору П.Г. Елисееву за предоставленную возможность совместной интересной работы.

Автор особо благодарит А.П. Канавина (ФИАН), внимание которого к работе, а также многочисленные обсуждения теоретических результатов помогали добиваться успеха.

Автор признателен H.A. Козловской и С.Б. Борину за помощь в оформлении диссертации.

Заключение.

1. Криштал М.А., Жуков A.A., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. - 191с.

2. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера: -М.: МГУ, 1975.- 383с.

3. Миркин И.А., Смыслова Г.П., Смыслов Е.Ф. Структура и свойства металлов после импульсных воздействий: М. МГУ, 1980. - 283с.

4. Крапошин B.C. Обработка поверхности металлических материалов лазерным излучением // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. -№3. - с.1-12.

5. Лазерная технология и автоматизация исследований: Труды ФИАН / Под ред. В.А. Катулина. М.: Наука, 1989. - Т. 198. - 224с.

6. Леонтьев П.А., Хан М.Г., Чекалова Н.Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. - 142с.

7. Рыкалин Н., Углов А., Зуев И., Кокора А. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1985. - 496с.

8. Завестовская И.Н., Катулин В.А. Лазерные технологии. // В Сб. Принципиально новые технологии. Новое в жизни, науке, технике. Сер. Техника, № 1. М.: Знание, 1990. - с.3-37.

9. Афанасьев Ю.В., Завестовская И.Н., Зворыкин В.Д., Ионин A.A., Сенатский Ю.В., Стародуб А.Н. Международный форум «Современные мощные лазеры и их применения» (AHPLA'99) // Квантовая электроника. -2000. Т.30. - №5. - с.462-470.

10. Ананьин О.Б., Афанасьев Ю.В., Быковский Ю.А., Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применения. М.: МИФИ, 2003. - 400с.

11. Лазерные технологии обработки материалов. Современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В.Я. Панченко / М.: Физматлит, 2009. 664с. - ISBN 978-5-9221-1023-5.

12. Eliseev P.G., Sun H.-B., Juodkazis S., Sugahara Т., Sakai S., Misawa H. Laser-induced damage threshold and surface processing of GaN at 400 nm wavelength // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. - V.38. - p.839-841.

13. Завестовская И.Н. Лазерное наноструктуирование поверхности материалов // Квантовая электроника. 2010. - Т.40. - № 11.- с.942-954.

14. Nishimura N., Schaffer С.В., Kleinfeld D. In vivo manipulation of biological system with femtosecond laser pulses // Proceedings of SPIE, HighPower Laser Ablation VI 2006. - p.62611J

15. Barcikowski S., Hahn A., Kabashin A.V., Chichkov B.N., Properties of nanoparticles generated during femtosecond laser machining in air and water // Applied Phys. A. 2007. - V.87. - p.47-55.

16. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. Введение в новую область лазерной физики. М.: Физматлит, 2008. - 206с.

17. Vorobyev A. Y., Guo С. Colorizing metals with femtosecond laser pulses // Appl.Phys.Lett. 2008. - V.92. - p.041914-3.

18. Денисюк А.И. Оптическая память на основе фазовых переходов в наночастицах металлов. // В сб. Проблемы когерентной и нелинейной оптики. СПб.: СпбГУ ИТМО, 2008. - с.52-59.

19. Nolte S., Chichkov B.N., Welling Н., Shani Y., Lieberman К., Terkel H. Nanostructuring with spatially localized femtosecond laser pulses // Optics Letters. 1999. - V.24. - p.914-916.

20. Stratakis E., Zobra V., Barberoglou M., Fotakis C., Shafeev G.A. Femtosecond laser writing of nanostructures on bulk A1 via its ablation in air and liquids. // Applied Surface Science 2009. - V.255 - p.5346-5350.

21. Pervolaraki M., Dyer P.E., Monk P., Ablation studies using a diode-pumped Nd:YVO 4 micro-laser // Appl. Phys. A. 2004. - V.79. - No.4 - p.849-854

22. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970. - 272с.

23. Рэди Дж. Действие мощного лазерного изучения. М.: Мир, 1974. -468с.

24. Prokhorov A.M., Konov V.l., Ursu I., Mihailesku I.N., Laser Heating of Metals. Bristol: Hilger, 1990.

25. Арутюнян P.B., Баранов В.Ю., Болыпов JI.A., Малюта Д.Д., Себрант А.Ю. Воздействие лазерного излучения на материалы. М.: Наука, 1989. -365с.

26. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. -М.: Наука, 1991.-312с.

27. Басов Н.Г., Крохин О.Н. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора//ЖЭТФ, 1964. -Т.46. -Вып.1. - с. 171-175.

28. Афанасьев Ю.В., Крохин О.Н. Испарение металлов под действием луча лазера // ЖЭТФ 1967. - Т. 52. - с. 966-975.

29. Афанасьев Ю.В., Крохин О.Н. Газодинамическая теория воздействия излучения лазера на конденсированные вещества // Квантовая радиофизика. Труды ФИАН. 1970. - Т. 52. - с. 118-170.

30. Афанасьев Ю.В., Крохин О.Н. Высокотемпературные и плазменные явления, возникающие при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом // Физика высоких плотностей энергий / Под ред. П. Кальдиролы, Г. Кнопфеля. М.: Мир, 1974. с.311-352.

31. Келдыш JI.B. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны // ЖЭТФ 1964. - Т.47. - с.1945-1957.

32. Il'inskii Yu.A., Keldysh L.V. Electromagnetic Response of Material Media. -New York: Plenum Press, 1994. 316p.

33. Zavestovskaya I.N., Eliseev P.G., Krokhin O.N. Nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high power and ultrashort laser pulses //Applied Surface Science-2005. -V. 248. -p.313-315.

34. Zavestovskaya I.N., Eliseev P.G., Krokhin O.N., Men'kova N. A. Analysis of the nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high-intensity and ultrashort laser pulses //Appl. Phys. A. 2008. - V.92. -p.903-906.

35. Eliseev P.G., Kozlovskaya N.A., Krokhin O.N., Zavestovskaya I.N. Nonlinear mechanisms of light beam absorption in transparent materials under high power laser action // AIP Conf. Proc. 2010. - V.1278. - p. 582-589.

36. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Kanavin A.P., Uryupin S.A. Generation of nonequilibrium phonons, suppression of heat transport, and rapid disintegration of a metal lattice // J. Russ. Laser Res. 2000. - V.21(6). -p.505-514.

37. Kanavin A.P., Uryupin S.A. Nonlocal heat transfer in nanostructures // Physics Letters A. 2008. - V.372. - p.2069-2072.

38. Канавин А.П., Урюпин С. А. Нелокальный перенос тепла в вырожденном проводнике при нагреве фемтосекундным лазерным импульсом // Квантовая Электроника. 2008. - V.38(2) - с. 159-164.

39. Zavestovskaya I.N. Laser-assisted metal surface micro- and nanostructurization // Laser and Particle Beams. 2010. - V.28. - p.437-442.

40. Bertyaev B.I., Igoshin V.I., Katulin V.A., Zavestovskaya I.N., Shishkovskiy I.V. Physical Principles of Simulation and Optimization of Laser-Inducesd Surface Hardening of Steels // Journal of Russian laser Research 1996. - V.17 -p.164-184.

41. Gamaly E.G., Rode A.V., Luther-Davies В., Tikhonchuk V.T. Ablation of solids by femtosecond lasers: Ablation mechanism and ablation thresholds for metal and dielectrics // Physics of Plasmas. 2002. V. 9(3) - p. 949-957.

42. Koch J., Korte F., Bauer Т., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov B.N. Nanotexturing of gold films by femtosecond laser-induced melt dynamics // Appl. Phys. A. 2005. - V. 81. - p. 325-328.

43. Вейко В.П., Киеу K.K. Лазерная аморфизация стеклокерамик: основные закономерности и новые возможности изготовления микрооптических элементов // Квантовая электроника. 2007. -Т. 37. - №1. - с.92-98.

44. Komlenok M.S., Kononenko V.V., Vlasov I.I., Ralchenko V.G., Arutyunyan N.R., Obraztsova E.D., Konov V.I. Laser "Nano"ablation of Ultrananocrystalline Dimond Films // J. Nanoelectronics and Optoelectronics. -2009. V.4 - p.286-289.

45. Басов Н.Г., Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А. Преимущества тепловых циклов с выдержкой при лазерной закалке сталей: кинетическая и теплофизическая модели. // Применение лазеров в народном хозяйстве. М.: Наука, 1986. - с. 88-95.

46. А. с. 1280890 СССР. Способ термической обработки легированных и высоколегированных сталей / Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин

47. В.И., Катулин В.А. Заявка №3852760, Приоритет изобретения 06.11.1984; Опубл. 01.09.1986.

48. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Расчет характеристик упрочненного слоя в модели лазерной закалки сталей // Квантовая электроника. 1989. - Т. 16. -№ 8. - с. 1636-1642.

49. Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И. Анализ термических циклов при лазерной обработке сталей: Препринт №49. ФИАН, 1984. -24с.

50. Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А., Шишковский И.В. Физические основы моделирования и оптимизации процесса лазерной поверхностной закалки сталей // Труды ФИАН. 1989. -№198. - с.6-23.

51. Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А. Теоретический анализ фазовых и структурных превращений в сталях при лазерном термоупрочнении: Препринт №90. ФИАН, 1985. - 12с.

52. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Катулин В.А., Каюков C.B., Петров A.J1. Особенности структурнофазовых превращений в высоколегированных сталях при лазерной термообработке // Квантовая электроника. 1987. -Т. 14. - № 12. - с.2343-2549.

53. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учеб. для студентов вузов. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

54. Гурвич Л.О., Соболь Э.Н. Влияние кинетики а—»у-превращения, лимитируемого диффузией, на расчет толщины закаленного слоя при лазерной термообработке стали // Изв. АН СССР. Металлы 1984. - №6. -с.154-158.

55. Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых телах. -М.: Наука, 1981.

56. Ким Е.И., Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н., Краснов Я.А., Кантаева Р.Н. Теоретическое исследование кинетики аустенитизации в сталях принагреве непрерывным лазерным излучением // Инженерно-физический журнал. 1987. - №52. - с. 444.

57. Дьяченко С.С. Влияние особенностей строения исходной структуры на фазовые превращения и свойства стали при термической обработке // Металловедение и термическая обработка материалов. 1987. - №10. - с.2-4.

58. Li W.B., Esterling К.Е., Ashby M.F., Laser transformation hardening of steel: II. Hypereutectoid steels // Acta Metal. 1986. - №34. - p.1533-1543.

59. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Численное моделирование поверхностной закалки сталей под действием лазерного излучения с учетом тепловых, кинетических и диффузионных процессов: Препринт-№201. ФИАН, 1987.- 24с.

60. Бертяев Б.И., Завестовская И.Н., Игошин В.И. Сравнительный анализ двух и трехстадииных термических циклов при поверхностной лазерной закалке сталей // Физика и химия обработки материалов. 1986. - №3. -с.88-95.

61. Кристиан Дж. Теория фазовых превращений в металлах и сплавах. Часть 1.-М.: Мир, 1978. 806с!

62. Гриднев В.Н., Мешков Ю.А., Ошкадеров С.П., Треофилов В.Н. Физические основы электротермического упрочнения стали. Киев: Наукова думка, 1973. - 357с.

63. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Ленинград: Гостехтеориздат, 1958. - 386с.

64. Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. М.: Металлургия, 1982. - 127с.

65. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Теоретическое и численное исследование напряжений при лазерной закалке сталей // Труды ФИАН. 1993. - Т.217. - с. 13-36.

66. Любов Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений. М.: Металлургия, 1969. - 263с.

67. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. - 600с.

68. Fedechev A. F., Igoshin V. I., Zavestovskaja I. N., Shishkovskii I.V. Theoretical and Numerical Analysis of Stresses in a Laser Hardening Model // Journal of a Soviet Laser Research., 1991. -V.12. No.4. - p.365 -382. doi: 10.1007/BF01120376.

69. Ройтбурд А.Л. Особенности развития фазовых превращений в кристаллах //В кн.: Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975. - с.345-369.

70. Катулин В.А., Каюков С.В., Николаев В.Д., Петров А.Л., Васильев В.Г., Павлов А.Н. Структурообразование в быстрорежущих сталях при лазерной обработке: Препринт-№85. ФИАН, 1986. 24с.

71. Zavestovskaya I.N., Theoretical analyses of surface steel mechanical hardening under laser irradiation // 5 Wissenschaftliche Konf. Rationalisierung im Maschinenbau, November, 1985, Zwickau, DDR. 1985. - p. 160.

72. Шишковский И.В., Завестовская И.Н., Игошин В.И., Федичев А.Ф., Теоретический и численный анализ напряжений в модели лазерной закалки сталей: Препринт-№ 167. ФИАН, 1990.-41 с.

73. Zavestovskaya I.N., Shishkovskii I.V., Igoshin V.I., Fedichev A.F. A Study into Mechanical Stresses in the Laser Hardening Processes of Steels // Proc. of LAMP'92, Nagaoka, June 1992, p. 709-712.

74. Zavestovskaya I.N., Theoretical analyses of steel mechanical hardening under laser irradiation. Abstracts of the 5th Int. Conf. on Laser and their Applications, 28.10-01.11.1985, Dresden, DDR. 1985. -p.186.

75. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1969. - 376с.

76. Астапчик С.А. Особенности фазовых и структурных превращений в сталях при лазерной термообработке // Тезисы докладов Всесоюзного совещания по применению лазеров в технологии машиностроения. М.: Наука, 1982. - с.89-90.

77. Волькенштейн М.В., Птицын О.Б. Релаксационная теория стеклования // ДАН СССР. 1955. - Т.103. - с.795-798.

78. Сандитов Д. С, Бартенев Г. М. Физические свойства неупорядоченных структур. Новосибирск: Наука. 1982. 258 с.

79. Френкель В. Я. Кинетическая теория жидкостей. М.: Наука, 1945. -424с.

80. Дьяченко С.С., Тарабанова В.П., Петриченко A.M. особенности превращения в стали с различным исходным состоянием // Физика металлов и металловедение. 1972. - Т.34. - №1. - с.30-38.

81. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Моделирование лазерной закалки сталей с учетом тепловых, кинетических и диффузионных процессов // Физика и химия обработки материалов -1989. №. 5. - с.50-57.

82. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В., Определение глубины лазерной закалки сталей с учетом тепловых, кинетических и диффузионных процессов. // Сб. Лазерная технология. 1987. - Вып.З. -с.86-92.

83. Будак Б.М., Самарский A.A., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. М.: Наука, 1972. - 687с.

84. Смирнов В.И. Курс высшей математики: Том 2. М.: Наука, 1965. -656с

85. Диффузия, фазовые превращения, механические свойства металлов и сплавов / Под ред. М.Е. Блантера. М.: Всесоюзн. Заочн. Машиностр. Ин-т, 1978.- Вып. 2.- 34 с.

86. Шишкин Н.И., Милагин М.Ф. Температурная зависимость энергии активации кинетических свойств твердых тел. // ФТТ 1985. - Т.27. - №8. -с.2499-2500.

87. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем: Том 2.- М.: Металлургия, 1962. 982с.

88. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983 -512с.

89. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка. 1987 - 208 с.

90. Завестовская И.Н. II Азиатско-Тихоокеанская конференция Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники // Квантовая электроника. 2002. - Т.32. - №11. - с. 1033-1034.

91. Afanasiev Y.V., Zavestobskaya I.N., Kanavin А.Р., Kayukov S.V. Deep Melting of Metals by Specially Profiled Laser Pulses // Laser Interaction and Related Plasma Phenomena. New York: AIP Press, 1995. - p.1274-1279.

92. Locke E.V, Hoag E.D., Hella R.A., Deep penetration welding with highpower C02 lasers. // IEEE J. Quantum Electron. 1972. - V.2. - p.132-135.

93. Антонов A.A., Козлов Г.И., Кузнецов B.A., Масюков В.А. Стационарная лазерная воронка при воздействии мощного излучения непрерывного С02 лазера на металлы и жидкости // Квантовая электроника.- 1977. Т.4. - №6. - с.747-753.

94. Басов Н.Г., Баженко В.В., Глотов E.H., Горный С.Г., Данилычев В.А., Карпов E.H., Лопота В.А., Малыш М.М. Непрерывный и импульсно-периодический режимы сварки электроионизационным лазером. // Изв. АН СССР, сер. Физическая. 1984. - Т.48. - с.2310-2320.

95. Басов Н.Г., Башенко В.В., Горный С.Г., Физико-технологические особенности лазерной сварки в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. // Сварочное производство. 1985. - №8. - с.2-3

96. Веденов А.А., Гладуш Г.Г., Дробязко С.В., Павлович Ю.В., Сенаторов Ю.М. Физические закономерности взаимодействия излучения импульсно-периодического С02-лазера с металлами. // Квантовая электроника. 1985. - Т.12. - №1 - с.60-67.

97. Веденов А.А., Гладуш Г.Г., Дробязко С,В., Левченко Е.Б. Физические процессы при глубоком проникновении лазерного луча в металлы // Изв. АН СССР, сер. Физическая. 1983. - Т.47. - №8. - с.1473-1480.

98. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985.- 208с.

99. Гуреев Д.М. Лазерная и лазерно-ультразвуковая обработка материалов. Самара: Самар.гос.техн.ун-т, 2011. - 243с.

100. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. - 329с.

101. Каюков С.В., Гусев А. А. Динамические характеристики роста парогазового канала при плавлении металлов импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности // Квантовая электроника. -1995.-Т. 22. № 8. - с.811-815.

102. Kamlage G., Bauer Т., Ostendorf A., Chichkov B.N. Deep drilling of metals by femtosecond laser pulses // Appl.Phys. A. 2003. - V.77. - p.307-310.

103. Kayukov S.V., Gusev A.A., Nesterov I.G., Zaichkov E.G., Petrov A.L. The influence of laser radiation pulse shape on the spot welding parameters // Proc. Int. Conf. "New Advances in Welding and Allied Processes". Beijing, China, 1991,- p.183-186.

104. Kayukov S.V., Gusev A.A., Petrov A.L., Nesterov I.G., Katulin V.A. New advances in industry applications of YAG pulse lasers // Proc. Int. Conf. LAMP'92. Nagaoka, Japan ,1992. p. 993-998.

105. Branch H.N., Wang Z.Y., Liu J.T., Weckman D.C., Kerr H.W. Determining Weld Quality in Pulsed Nd:YAG Laser Spot Welds // J. Laser Applications., 1991 V.3. -No.3. -p.25.

106. Katayama S., Kohsaka S., Mizutani M., Nishizawa K., Matsunawa A. Pulse Shape Optimization for Defect Prevention in Pulsed Laser Welding of Stainless Steels // Proc. Int. Conf. ICALEO, 1993. p.487-497.

107. Matsunawa A., Defect Formation Mechanisms in Laser Welding and Their Suppression Methods // Proc. Int. Conf. ICALEO, 1994. p.203-291.

108. Каюков C.B., Гусев A.A. Влияние параметров лазерного пучка на глубину и эффективность плавления металлов импульсным лазерным излучением // Квантовая электроника. 1996. - Т. 23. - № 8. - с.711-714.

109. Каюков С.В., Гусев А.А. Устойчивость расплава в парогазовом канале при плавлении металлов импульсным лазерным излучением // Квантовая электроника. 1996. - Т. 23. - №11. - с. 1025-1028.

110. Каюков С.В., Гусев А.А., Нестеров И.Г., Зайчиков Е.Г., Петров АЛ. Влияние формы импульсов лазерного излучения на геометрию ванны расплава // Физика и химия обработки материалов. 1996. - №4. - с.36-42.

111. Knight C.J. Theoretical modeling of rapid surface vaporization with backpressure // AIAA Journal. 1979. - V. 17. - №5. - p.519-523.

112. Арутюнян P.B., Большое JI.A., Витюков B.B., Киселев В.П. и др. Расчетно-теоретическое исследование импульсно-периодических режимоввоздействия лазерного излучения на твердые материалы // Препринт ИАЭ 4023/16 М.: 1984.

113. Арутюнян Р.В., Болыпов Л.А., Витюков В.В. и др. Численное моделирование нагрева, плавления и испарения металлов // Препринт ИАЭ 4121/16. М.: 1985.

114. Yih C.S. Fluid mechanics of colliding plates // Phys. Fluids. 1974. - V.14. -№11 - p.1936-1940.

115. M. Von Allmen. Laser drilling velocity in metals. // J. of Appl. Phys. -1976. -V.47. №12. - p.5460-5463.

116. M. Von Allmen, Blaser P., Affolter K. and Sturmer E. Absorption Phenomena in Metal Drilling with Nd-Lasers. // IEEE J. of Quantum Electronics.- 1978.- V.QE-14. №2 - p.85-88.

117. Arata Y., Miyamoto I. Laser welding // Technocrat. 1978. - V.l 1. - No.5. -p.33-42.

118. Opower H. The fundamentals of metal cutting using high power C02 laser // Laser and Optronics. 1982. - V.14 - №2. - p.47-51.

119. Веденов А.А., Гладуш Г.Г., Дробязко С,В., Левченко Е.Б. Физические процессы при глубоком проникновении лазерного луча в металлы. // Изв. АН СССР, сер. Физич. 1983. - Т.47. -№8. - с.1473-1480.

120. Данилычев В.А. Зворыкин В.Д. Экспериментальное исследование радиационно-газодинамических процессов, развивающихся под действием мощных лазерных импульсов // Труды ФИАН. 1983. - Т. 142. - с.117-171.

121. Yilbas B.S. The absorption of incident beams during laser drilling of metals // Optics and Laser Technology. 1986. - V.18. -No.l. -p.27-32.

122. Бакеев А.А., Николашина JI.И., Прокопенко Н.В., Яковлев В.И. Поглощение излучения неодимового лазера в плазменном факеле при сверлении глубоких отверстий // Физика и химия обработки материалов. -1985,-№6.-С. 17-22.

123. Pack U.C., Garliano F.P. Thermal Analisis of Laser Drilling Processes // J.of Quantum Electronics. 1972. - V.QE-8. - No.2. - p. 112-119.

124. Бункин Ф.В., Трибельский М.И. Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью // Успехи физических наук. -1980. Т.130. - №2. - с. 193-239.

125. Momma С., Chichkov B.N., Nolte S., F. Von Alvesleben, Tunnerman A., Welling H. Short-pulse laser ablation of solid targets // Opt. Commun. 1996. -V.129. - p. 134-142.

126. Kanavin A.P., Zavestovskaya I.N., Borin S.B. Theoretical Modeling of Laser-Direct Writing // Pacific Science Review 2011. - V. 13 - p.78-84.

127. Nolte S., Chichkov B.N. Microstructuring with femtosecond lasers // Advanced Engineering Materials 2000. - V.2. - p.23-27.

128. Korte F., Serbin J., Koch J., Erbert A., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov B. N. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses // Appl.Phys. A. -2003. V.77. - p.229-235.

129. Koch J., Korte F., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov В. Direct-write sub wavelength structuring with femtosecond laser pulses // Optic Engineering. -2005.-V.44(5).-p.051103.

130. Kabashin A.V., Delaporte Ph., Pereira A., Grojo D., Torres R., Sarnet Th., Sentis M. Nanofabrication with Pulsed lasers // Nanoscale Res. Lett. 2010. -V.5. -p.454-463.

131. Gamaly E.G., Rode A.V. Nanostructures created by lasers // Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. Stevenson Range: American Scientific Publishers. 2004. - V.7. - p.783-809.

132. Kabashin A.V., Meunier M. Laser Ablation-Based Synthesis of Nanomaterials // In Recent Advances in Laser Processing of Materials, Amsterdam: Elsevier. 2006. - Chapter 1. - p. 1-35.

133. Bauerle D., Pedarnig J.D., Vrejoiu I., Peruzzi M., Matei D.G., Brodoceanu D., Dinescu M. Laser processing and chemistry: applications in nanopartterning, material synthesis and biotechnology // Romanian Reports in Physics. 2005. -V.57(4). -p.935-952.

134. Arnold B.G., Pique A. Laser Direct-Write processing // MRS Bulletin. -2007.-V.32.-p.9-15.

135. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции. // УФН 2002. - Т.172(3). - с.301-333.

136. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Kanavin A.P., Uryupin S.A. Thermal regime of laser ablation of metals by ultrashort pulses of low fluence. // Journal of Russian Laser Research. 1999. - V.20. - № 6 - p. 189-196.

137. Kanavin A.P., Smetanin I.V., Isakov V.A., Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N. Heat transport in metals irradiated by ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B.- 1998. V.57. - p.14698.

138. Афанасьев Ю.В., Демченко H.H., Завестовская И.Н., Исаков В.А., Чичков Б.Н. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами: Препринт №64. ФИАН, 1996. - 18с.

139. Афанасьев Ю.В., Демченко Н.Н., Завестовская И.Н., Исаков В.А., Канавин А.П., Урюпин С.А., Чичков Б.Н. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами // Известия АН, сер.физ. 1999. -Т.63. -№4. - с.667-675.

140. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Demchenko N.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Ablation of metals by ultrashort laser pulses: theoretical modeling and computer simulation // Journal of Russian Laser Research. 1999.- V.20(2). p.89-115.

141. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Demchenko N.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Hydrodynamic regime of laser ablation of metals by ultrashort pulses of low fluence // Journal of Russian Laser Research. 1999. -V.20.-No. 6. -p.489-496.

142. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Extended two-temperature Model of laser ablation of metals // High Power Laser Action III, Claude R. Phipps Editor, Proc. Of SPIE. 2000. - V.4065 - p.349-354.

143. Zavestovskaya I.N. Laser materials ablation // 32nd European Conference on Laser Interaction with Matter, September 10-14, 2012, Warsaw, Poland / Book of Abstracts, Institute of Optoelectronics. 2012. - p.O-l 1.

144. Bonze J., Sturm H., Schmidt D., Kautek W. Chemical, morphological and accumulation phenomena in ultrashort-pulse laser ablation if TiN in air // Appl. Phys. A. 2000. - V.71. - p.657-665.

145. Costache F., Henik M., Reif. Modification of dielectric surfaces with ultrashort laser pulses // J. Appl. Surface Sci. 2002. - V. 186. - p.352-357.

146. Bulgakov A.V., Ozerov I., Marine W. Cluster emission under femtosecond laser ablation of silicon // Thin Solid Films 2004. - V.453. - p.557-561.

147. Vorobyev A.Y., Guo C. Femtosecond laser structuring of titanium implants // Applied Surface Science 2007. - V. 253. - p.7272-7280.

148. Kononenko T.V., Garnov S.V., Pimenov S.M., Konov V.I., Romano V., Borsos В., Weber H.P. Laser ablation and micropatterning of thin TiN coatings. // Appl Phys. A. 2000. - V.71. - p.627-631.

149. Брагинский С.И. Процессы переноса в плазме. // Физика плазмы. -1963. Т.1 / Braginskii S.I. Transport Processes in Plazma // Review of Plasma Physics. Consultant Bureau, New York 1965. - V.l. - p.205.

150. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Статистическая физика. Часть I. 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976. - 584 с. (т. V)

151. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Kanavin A.P., Uryupin S.A. Fast laser heating of electrons as a source of ion-acoustic oscillations. // J. Russ. Laser Res. 2000. - V.21. - p.34-45.

152. Zavestovskaya I.N., Glazov O.A., Men'kova N.A. High power and Ultrashort laser pulses ablation of metals: Threshold characteristics // LaserMater Interaction, Proceeding of SPIE 2007. - V.6735. - p.673512.

153. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины. Справочник. -М.: Энергоиздат, 1991.

154. Srinivasan R. Laser Ablation. Principles and Applications//Springer. Ser. Mater. Sci., Springer, Berlin, Heidelberg. 1994. - V.28. - p. 107.

155. Laser Ablation of Electronic Materials Basic Mechanisms and Applications, eds. Fogarassy and Lazare S. Amsterdam: Elsevier. 1992. Proc. E-MRS. V.4.

156. Guillet J. Polymer photophysics and photochemistry. Cambridge: Cambridge University Press, 1985.

157. Lazare S., Granier V. Ultraviolet-laser photoablation of polimers. A review and recent results // Laser Chem. 1989. - V. 10. - p. 25-40.

158. Joy J., McLeod E., Arnold C.B. Optical Trap Assisted Nanoscale Laser Direct Write Patterning // Princeton University. 2008. - №101. - URL: http://www.princeton.edu/~spikelab/papers/054.pdf

159. Lazare S., Tokarev V., Sionkowska A., Wisniewski M. Surface foaming of collagen, chitosan and other biopolymer films by KrF eximer laser ablation in the photomechanical regime // Appl. Phys. A. 2005. - V.81. - p.465-470.

160. Gojani A.B., Choi S.J., Han T.H., Lee H.H., You J.J. Laser ablation of metals and polymers at hydrodynamic regime // Appl. Phys. A: Material Science. -2010. p.511.

161. Weisbuch F., Tokarev V.N., Lazare S., Belin C., Bruneel J.L. Millimeter-long nanofibers of PMMA spun at Super-high speed by ablation with a single pulse of a KrF eximer laser // Appl.Phys.A. 2002. - V.75. - P. 677. - DOI: 10.1007/s00339-002-1454-0.

162. Weisbuch F., Tokarev V.N., Lazare S., Belin C., Bruneel J.L. Millimeter long PMMA nanofibers a new form of material removal in laser ablation // Thin Solid Films. 2004. - V.394 - p.453-454.

163. B. Braren and Sinivasan. R. Dynamics Ultraviolet laser ablation of organic polymers // J. Vac. Sci. Technol. 1985. - B3. - p. 913.

164. Sauerbreg R., Pettit G. Fluence-dependent transmission of polyimide at 248 nm under laser ablation conditions // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 58 - p. 793795.

165. Kuper S. and Stuke M. Femtosecond UV excimer laser ablation //Appl. Phys. B. 1987. - V.44 - p.199-204.

166. Sutcliffe E., Srinivasan R. Dynamics of UV laser ablation of organic polymer surface // J. Appl. Phys. 1986. - V.60. - p.3315-3322.

167. Furzikov N.P., Lekhtsier E.N., Semionov A.D. Model and description of UV laser ablation of the cornea // SPIE Proc. Laser-Tissue Interaction 1990. -V.286 - p.1202. - doi:10.1117/12.17638.

168. Cain S.R., Burns F.C., Otis C.E. On single-photon ultraviolet ablation of polymeric materials // J. Appl. Phys. 1992. - V.71. - p.4107-4117.

169. Cain S.R., Burns F.C., Otis C.E., Braren B. Photothermal description of polymer ablation: absorption behavior and degradation time scale// J.Appl.Phys.- 1992. V.72. - No. 11. - p.5172-5178.

170. Sobehart J.R. Polyimide ablation using intense laser beams // J. Appl. Phys.- 1993. V.74 - p.2830-2833.

171. Tokarev V.N., Lunney J.G., Marine W., Sentis M., Analytical thermal model of ultraviolet laser ablation with single-photon absorption in the plume // J. Appl. Phys. 1992. - V.78 - p. 1241-1246.

172. Luk'yanchuk B., Bityurin N., Anisimov S., Bäuerle D., The Role of Excited Species in UV-Laser Materials Ablation. I. Photo-physical Ablation of Organic Polymers // Appl. Phys. A 1993. - V.57 - p.367-374.

173. Pettit G.H., Sauerbrey R. Pulsed ultraviolet-laser ablation // Appl. Phys. A.- 1993. V.56. -№ 1, - p.51-63.

174. Kuper S., Stuke M.S., UV-Excimer-Laser Ablation of Polymethylmethacrylate at 248 nm: Characterization of Incubation Sites with Fourier Transform IR- and UV-Spectroscopy// Appl.Phys. A. 1989. - V.49 -p.211-215.

175. Kuper S., Stuke M.S., Ablation of polytetrafluoroethylene (Teflon) with femtosecond UV excimer laser pulses // Appl.Phys. Lett. 1989. - V.54 - p.4-6.

176. Späth S., Zhang Y., Stuke M. Time resolved dynamics of subpicosecond laser ablation // Appl. Phys. Lett. 1993. - V.62. - p.3049-3051.

177. Koren G. Temporal measurements of photofragment attenuation at. 248 nm in the laser ablation of polyimide in air // Appl.Phys. Lett. 1987. - V.50. -p.1030-1032.

178. D'Couto G.C., Babu S.V. Heat-transfer and material removal in pulsed excimer-laser-induced ablation Pulsewidth dependence // J. Appl. Phys. -1994. - V.76. - p.3052-3058.

179. Larciprete R. and Stuke M.S. Direct observation of excimer-laser photoablation from polymers by picosecond-UV-laser mass spectroscopy //Appl. Phys. В 1985. - V.42. - p. 181-184.

180. Афанасьев Ю.В., Завестовская И.Н., Исаков B.A., Чичков Б.Н. Гидродинамические модели УФ лазерной абляции полимеров: Препринт -№63. М.:РИИС ФИАН, 1996. 24с.

181. Afanasiev Y.V., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N., Chichkov B.N., F. Von Alvensleben, Welling H. Hydrogynamic regimes of UV laser ablation of polymers // Appl. Phys. A. 1997. - V.64. - p.561-572.

182. Afanasiev Yu.V., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N., Chichkov B.N., Von Alvensleben F., Welling H. Hydrodynamic model for UV laser ablation of polymers // Laser and Particle Beams 1999. - V.17(4). - №437. - p. 585-590.

183. Afanasiev Yu.V., Chichkov B.N., Isakov V.A., Zavestovskaya I.N. Laser ablation of organic materials: hydrodynamic model // In High Power Laser Action III, Claude R. Phipps Editor, Proc. of SPIE 2000. - V.4065. - p.301-307.

184. Zavestovskaya I.N. Laser ablation of polymers // Pacific Science Review. -2010. V.12 - № 1. - p.56-58.

185. Zavestovskaya I.N. Laser treatment of polymers // Asia-Pacific conference on fundamental problems of opto- and microelectronics Moscow-Samara July 48, 2011. электрон, опт. диск CD. - APCOM'2011 Workshop LPI 2011

186. Zavestovskaya I.N. Theoretical modeling of Laser ablation of polymers // 32nd European Conference on Laser Interaction with Matter, September 10-14, 2012, Warsaw, Poland / Book of Abstracts, Institute of Optoelectronics, 2012. -p.P-34.

187. Альтудов Ю.К., Гарицын А.Г. Лазерные микротехнологии и их применения в электронике. М.: Радио и связь, 2001 - 632 с.

188. Eliseev P. G., Juodkazis S., Sugahara Т., Н.-В. Sun, S. Matsuo, S. Sakai, and H. Misawa. GaN surface ablation by fs-pulses: atomic force microscopy studies, accumulation effects // SPIE Proc. 2000. - V.4065. - p.546-556.

189. Eliseev P. G., Ionin A. A., Klimachev Yu. M., Sinitsyn D. V., Lee J., Osinski M., Application of high-power laser technology to wide-bandgap nitride semiconductor processing // SPIE Proc. 2002. - V.4760. - Pt.l. -p.143-155.

190. Eliseev P.G., Zavestovskaya I.N., Juodkazis S., Misawa H. Femtosecond ablation and laser processing of gallium nitride semiconductor epitaxial layers // 27th Eur. Cjnf. Laser Interaction Matter (ECLIM'2002). Moscow, 2002.

191. Eliseev P.G., Zavestovskaya I.N., Juodkazis S., Misawa H. Ultrashort laser pulses treatment of gallium nitride semiconductor epitaxial layers // Abstracts of the Int. Conf. FPPT'02. Bangalore, India, 2002 - p.78.

192. Kozlovskaya N.A., Krokhin O.N., Zavestovskaya I.N. Ultrashort laser pulses ablation of the transparent materials // Proc. Of 4th Int. Conf. FPPT, April 2009. Kathmandu, 2000.

193. Nakamura S., Fásol G. The Blue Laser Diode. Berlin: Springer-Verlag, 1997.

194. Nakamura S., Senoh M., Nagahama S., Iwasa N., Yamada Т., Matsushita Т., Sugimoto Y. and Kiyoku H., Room temperature continuous wave operation of InGaN multi quantum well structure laser diodes // Appl. Phys.Lett. 1996. -V.69. - p.4056-4058.

195. Akasaki I., Sota S., Sakai H., Tanaka Т., Koike M. and Amano H., Shortest wavelength semiconductor laser diode // Electron. Lett. 1996. - V.32 - p.l 1051106.

196. Елисеев П.Г., Завестовская И.Н., Полуэктов И.А., Попов Ю.М. Теоретическое рассмотрение физических процессов объемной деградации активной среды полупроводниковых лазеров // Труды ФИАН. 1983. -Т.141. - с.154-185.

197. Елисеев П.Г., Завестовская И.Н., Полуэктов И.А., О механизме смещения атомов в лазерных кристаллах под действием безызлучательной рекомбинации. // Квантовая электроника. 1987. - Т.5. - № 1. - с.203-206.

198. Елисеев П.Г., Завестовская И.Н., Полуэктов И.А., Попов Ю.М. К теории резонансного дефектообразующего захвата электронов в лазерных кристаллах // Квантовая электроника. 1979. - Т .6. - № 5. - с. 1057-1061.

199. Елисеев П.Г., Завестовская И.Н., Полуэктов И.А., Попов Ю.М. К теории стимулированного скольжения дислокаций в лазерных полупроводниковых кристаллах в условиях интенсивной накачки // Квантовая электроника. 1981. - Т.8. - №1. - с.206-209.

200. Елисеев П.Г., Завестовская И.Н., Соколов С.Н. Деградационные процессы в оптоэлектронных приборах // Сб. Вопросы физики полупроводников, Ленинград. 1982. - с.97-142.

201. Eliseev P. G. Degradation of injection lasers // J. Luminescence. 1973. -V.7. -p.338-3356.

202. Туркин A.H. Деградация полупроводниковых излучательных диодов // Труды Симпозиума по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур. Звенигород, 2007. Москва, РИИС ФИАН, 2008. с. 142-151.

203. Ozono К., Obara М., Usui A., Sunakawa Н. High-speed ablation etching of GaN semiconductor using femtosecond laser // Opt. Commun. 2001. -V.89 -p.103-106.

204. Kim Т., Kim H. S., Hetterich M., Jones D., Girkin J. M., Bente E., Dawson M. D. Femtosecond laser machining of gallium nitride // Mat. Sci. Engineering, B: Solid State Materials for Adv. Technol. 2001. - V.82. - p.262-264.

205. Du D., Liu X., Korn G., Squier J., Mourou G. Laser-induced breakdown by impact ionization in Si02 with pulse widths from 7 ns to 150 fs // Appl. Phys. Lett. 1994. - V.64. - No.23. - p.3071-3073.

206. Keldysh L.V. Multiphoton ionization by a very short pulse // Private communication, 1999.

207. Keldysh L.V. Multiphoton exitation of semiconductors by a very short pulses // Private communication, 2000.

208. Ammosov M.V., Delone N.B., Krainov V.P., Tunnel ionization of complex atoms and atomic ions in an alternating electromagnetic field // Sov. Phys. JETP. 1986. - V.64 - p. 1191-1994.

209. Uteza O.P., Gamaly E.G., Rode A.V., Samoc M., Luter-Davies B. Gallium transformation under femtosecond laser exitation: Phase coexistence and incomplete melting // Phys. Rev. B. 2004. - V.70. - p. 054108(1-13).

210. Drabovich K.N., Makarov V.A., Yuen-Ron Shen Nonlinear Optical Phenomena // Proc. of SPIE 2006. - V.6259. - pp. 625914(1-6).

211. Wu A.Q., Chowdhury I.H., Xu X. Femtosecond laser absorption in fused silica: Numerical and experimental investigation // Phys. Rev. B. 2005. - V.72. -p.085128.

212. Gamaly E.G., Juodkazis S., Nishimura K., Misawa H., Luther-Davies В., Hollo L., Nicolai P., Tikhonchuk V. Laser-Matter interaction in the bulk of a transparent solid: Confined microexplosion and void formatiom // Phys.Rev.B. -2006. V.73. -p.214101.

213. Jasapara J., Nampoothiri A.V.V., Rudolph W. Femtosecond laser pulse induced breakdown in dielectric thin films // Phys.Rev.B. 2001. - V.63. -p.045117.

214. Jia Т., Chen H., Zhang Yu. Photon absorption of conduction-band electrons and effects on laser-induced damage to optical materials // Phys.Rev.B. 2000. -V.61. - p.16522.

215. Prasad P.N. Introduction to Biophotonics. Boston: Wiley-Interscience, 2003.

216. Елисеев А.А., Лукашин A.B., Функциональные наноматериалы. M.: Физматлит, 2010. - 452 с.

217. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб.: Наука, 2007. - 423 с.

218. Лякишев Н.П., Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения. // Российские нанотехнологии. 2006. - Т. 1. - с.71-81.

219. Vorobyev A. Y., Guo С. Change in absorptance of metals following multipulse femtosecond laser ablation // Journal of Physics: Conference Series. 2007. - V.59. - p.579-584.

220. Vorobyev A. Y., Guo C. Enhanced absorptance of gold following multipulse femtosecond laser ablation. // Phys. Rev. B. 2005. - V.72. -p.195422(1-5).

221. Завидеев E.B., Петровская A.B., Симакин A.B., Шафеев Г.А. Образование наноструктур при лазерной абляции серебра в жидкостях // Квантовая электроника. 2006. - Т. 36(10) - с.978-980.

222. Simon P., Ihleman J. Ablation of submicron structures on metals and semiconductors by femtosecond UV-laser pulses. // Appl. Surface Sci. 1997. -V.109 - p. 25-28.

223. Vorobyev A.Y., Guo C. Femtosecond laser nanostructuring of metals // Optics express. 2006. - V.14(6) - p. 2164-2169.

224. Kabashin A.V., Trudeau A., Marine W., Meunier M. Synthesis of efficient ZnO-based random lasing medium using laser-induced air breakdown processing. // Appl. Phys. Letters. 2007. - V.91. - p.201101.

225. Sanz M., De Nalda R., Marco J.F., Izquierdo J.G., Bañares L., Castillejo M. Femtosecond Pulsed laser Deposition of Nanostrctured CdS Films. // J.Phys. Chem. C. 2012. - V.l 14. - p. 4864-4868.

226. Dolgaev S.I., Simakin A.V., Voronov V.V., Shafeev G.A., Bozon-Verduraz F. Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment // Appl. Surf. Sci. 2002. - V. 186. - p. 546-551.

227. Anikin K.V., Melnik N.N., Simakin A.V., Shafeev G.A., Voronov V.V., Vitukhnovsky A.G. Formation of ZnSe and CdS quantum dots via laser ablationin liquids // Chem. Phys. Let. 2002. - V.366. - p. 357-360.

228. Грязнов В.Г., Капрелов A.M., Романов А.Е. О критической устойчивости дислокаций в микрокристаллах // Письма в ЖТФ. 1989. -Т. 15. - Вып.2. - с.39-44.

229. Siegel R.W., Fougere G.E. Mechanical properties of nanophase metals // Nanostr. Mat. 1995. - V.6. - № 1. - p. 11

230. Кайбышев O.A., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. М.: Наука, 2002.

231. Овидько Е., Гуткин Е. Физическая механика деформируемых наноструктур. Том 1. Нанокристаллические материалы. СПб.: Янус, 2003.

232. Kanavin А.Р., Kozlovskaya N.A., Krokhin O.N., Zavestovskaya I.N. Analysis of the laser materials nanostructurisation mechanisms // Book of abstract, XXXI ECLIM, Sept. 6-10, 2010. Budapest, Hungary, 2010. - p.50.

233. V.Bezotosny, E.Cheshev, A. Kanavin, N. Kozlovskaya, O. Krokhin, V. Oleshenko, Yu. Popov, I. Zavestovskaya Ultrashort laser micro- and nano-structurization of metals // Tech. Program of 14th Int. Conf. "Laser Optics 2010". -2010.-p.97.

234. Махлышева С.Д., Завестовская И.Н., Канавин А.П. Фрагментация наночастиц золота в жидкой среде под воздействием ультракоротких лазерных импульсов // Конференция "Молодежь и наука" НИЯУ МИФИ, январь 2011. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - с.31 -32.

235. Kanavin A., Kozlovskaya N., Krokhin O., Zavestovskaya I. Laser nanostructurization of the metal and alloy surfaces // American Institute of Physics Conf. Proc. 2010. - V. 1278 - p. 111 -120.

236. Zavestovskaya I.N. Ultrashort laser pulses induced metal surface micro-and nanostructures Production: Kinetics of the Crystallization. // Pacific Science Review. -2008. V. 10. - №2. -p.218-222.

237. Завестовская И.Н., Канавин А.П., Менькова H.A. Кристаллизация металлов в условиях сверхбыстрого охлаждения при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами // Оптический журнал. 2008. -Т.75. - №6 - с.13-19.

238. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Канавин А.П., Катулин В.А., Шишковский И.В. Теоретическое и численное исследование процессов лазерной аморфизации и получения мелкокристаллических структур // Труды ФИАН. 1993. - Т.217. - с.3-13.

239. Завестовская И.Н., Золотых М.С., Канавин А.П., Лазерная модификация пористых металлических пленок // Краткие сообщения по физике 2012 (принято в печать).

240. Владиславлев А.А., Алисин В.В., Рощин М.Н. // В сб. Нанотехнологии и их влияние на трение, износ и усталость в машинах, Международная Конференция, 14-15 дек. 2004. М.: ИМАШ, 2004. - с. 17.

241. Ильин А.И., Крапошин B.C. Стеклообразные структуры в металлических сплавах, подвергнутых действию высокоэнергетических пучков // Поверхность, физика, химия, механика. 1985. - Т.6. - с. 16-29.

242. Кашкин В.Н., Жданов Г.С., Миркин Л.И. Лморфизация металлических сплавов при лазерном воздействии // ДАН СССР. 1979. - Т.249. - № 5. -с.1118-1120

243. Mazzoldi P., Delia Меа G., Battaglin G., Miotello A., Servidori М., Bacci D., Jannitti E. Formation of a Noncrystalline Phase in Aluminum Irradiated with a Pulsed Ruby Laser // Phys.Rev. Lett. 1980. - V.44 - p.88-91.

244. Matsunawa A., Katayama S., Ohomi Y., Kuroki Т. Formation of Amorphous Alloy Layer by Pulsed Laser // High Temperature Society of Japan, Proc. of LAMP'87, Science and Applications. 1987 - p. 441-446.

245. Crouch C.H., Carey J.E., Warrender J.M., Aziz M.J., Mazur E., Genin F.Y. Comparison of structure and properties of femtosecond and nanosecond laser-structured silicon // Appl. Phys. Letters 2004. - V.84. - p. 1850-1852

246. Trtica M., Garovic В., Batani D., Desai Т., Panjan P., Radak B. Surface Modifications of a Titanium Implant by a Picosecond Nd:YAG Laser Operating at 1064 and 532 nm//Appl. Surf. Sci. 2006. - V.253. - p.2551-2556

247. Лапшин K.E., Обидин A.3., Токарев B.H., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Формирование наноструктур на поверхности нитрида кремния под воздействием излучения Р2-лазера // Физика и химия обработки материалов. 2008. - Т.1. - С. 43-49.

248. Bezotosnyi V. V., Cheshev E.A., Gorbunkov M.V., Kostrykov P.V., Tunkin V.G. Manifestation of active medium astigmatism at transverse mode locking in a diode end-pumped stable resonator laser // Applied Optics. 2008. - V.47. -No.24. - p.1-8

249. Hsu S.C., Chakravorty S., Mehrabian R. Rapid melting and solidification of a surface layer // Metallurgical Transaction B. 1978. - V.9. - p.221-229.

250. Tokarev V.N., Kaplan A.F.N. An analytical modeling of time dependent pulsed laser melting // J. Appl. Phys. 1999. - V.86. - No.5 - p.28362846.

251. Ivanov D.S., Zhigilei L.V. Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films // Phys. Rev. B. 2003 - V.68. - 064114.

252. Xu X., Cheng C., Chowdhury I.H. Molecular Dynamics Study of Phase Change Mechanisms During Femtosecond Laser Ablation // J. of Heat Transfer. -2004. V. 126-p.727-734.

253. Cheng C., Xu X. Mechanisms of decomposition of metal during femtosecond laser ablation // Phys. Rev B. 2005. - V.72 - p. 65415-15.

254. Hertel I.V., Stoian R., Ashkinazi D., Rozenfeld A., Campbell E.B. On the physics of material processing with femtosecond lasers // RIKEN Review. -2001. V.32 - p.23-30.

255. Kandyla M., Shih T., Mazur E. Femtosecond dynamics of the laser-induced solid-to-liquid phase transition in aluminium // Phys. Rev. B. 2007. - V.75 -214107-7.

256. Cheng C., Xu X. Molecular Dynamics Calculation of Critical Point of Nickel // International J. of Thermophysics 2007. - V.28(l) - p. 9-19.

257. Cheng C., Wu A.Q., Xu X. Molecular dynamics simulation of ultrafast laser ablation of fused silica // Journal of Physics,Conference Series. 2007. -V.59. -p.100-104.

258. Кудинов Г.М., Шмаков В.А. К теории зарождения новой фазы. Аморфизация металлов // Докл. АН СССР. 1982. - Т.264. - №6. - с. 610614.

259. Шкловский В.А., Моторная A.A., Маслов К.В. Численный анализ задачи лазерного стеклования с учетом кинетики фазового превращения. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1986. - №6. - с.91-104.

260. Глытенко А.Л., Шмаков В.А. Зарождение и рост новой фазы в металле, оплавленном лазерным импульсом. // Докл. АН СССР. 1984. -Т.276(6) - с.1392-1396

261. Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твердых тел // Доклады Академиии наук. 2008. - Т.419(6). - с. 1-5.

262. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния М.: Металлургия, 1982. - 166с.