The effect of laser radiation on porous targets made of transparent materials
Keywords:
laser, laser torch, nanoparticle, distribution, delay time, instability, crater, flow, vapor, compositionAbstract
The paper reports on a number of new physical phenomena discovered during the study of the effect of laser radiation on porous transparent materials. It is shown that when radiation propagates in a medium of densely packed particles, some of them play the role of a high-quality resonator, significantly increasing its intensity. In the future, the interference of incident, refracted and scattered radiation leads to the fact that in some local areas the intensity is tens of times higher than the intensity of incident radiation, ensuring the development of optical breakdown by one of the known mechanisms. It is established that the intensity in such local maxima depends on the refractive index, particle sizes and wavelength of radiation. It is shown that with prolonged exposure to radiation on the moving surface of the target, it acquires a needle-like character with a needle diameter of ~ 1 mm and a height of up to 8 mm. The glow of the torch, which occurs under the action of a single pulse, in a translucent target has an irregular peak character. It is found that the depth of the crater formed by the radiation of the ytterbium laser, for which the target material is transparent, is 6-8 times deeper than the crater formed by the radiation of a CO2 laser with the same pulse energy, for which this material is not transparent. This is associated with the transition from steam to steam-drop ablation, which is more effective in terms of material removal. Its presence was detected during high-speed photography of the glow of a laser torch. Mathematical models explaining the reasons for the implementation of the above-mentioned processes and facts are given.
References
Прохоров А. М., Конов В. И., Урсу И., Михэилеску И. Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. Москва: Наука, 1988, 537 с.
Minh N. Q., Takahashi T. Science and Technology of Ceramic Fuel Cells. Amsterdam: Elsevier science, 1995, 366 p.
Ikesue A., Aung I. L., Lupei V. Cambridge: Cambridge University Press, 2013, 445 p.
Данилейко Ю. К., Маненков А. А., Нечитайло В. С./ Исследование объёмного лазерного разрушения и рассеяние света в кристаллах и стёклах // Труды ФИАН. 1978, Т. 101, С. 31–74.
Osipov V. V., Lisenkov V. V., Platonov V. V. Ablation of oxide materials and production of nanopowders by ytterbium fiber laser // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2015. Vol. 118, P. 1133 1144.DOI: 10.1007/s00339-014-8928-8
Осипов В. В., Лисенков В. В., Платонов В. В., Тихонов Е. В. Процессы взаимодействия лазерного излучения с пористыми прозрачными материалами при их абляции // Квантовая электроника. 2018, Т. 48, № 3, С. 235-243.
Осипов В. В., Лисенков В. В., Платонов В. В., Орлов А. Н., Подкин А. В., Саввин И. А. Исследование воздействия импульсов мощного волоконного иттербиевого лазера на вещество с неоднородным показателем поглощения. II. Получение и характеристики нанопорошковNd :Y2O3 // Журнал технической физики. 2014, Т. 84, № 5, С. 97-105.
Осипов В. В., Лисенков В. В., Платонов В. В., Орлов А. Н., Подкин А. В., Саввин И. А. Исследование воздействия импульсов мощного волоконного иттербиевого лазера на вещество с неоднородным показателем поглощения. I. Особенности воздействия на мишени из оксида иттрия // Журнал технической физики. 2014, Т. 84, № 5, С. 88-96.
Осипов В. В., Евтушенко Г. С., Лисенков В. В., Платонов В. В., Подкин А. В., Тихонов и др. Эволюция лазерного факела в процессе получения нанопорошка с использованием волоконного иттербиевого лазера. // Квантовая электроника. 2016, Т. 46, № 9, С.821-828.
Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М., Бродов М. Е., Быстров М. В., Виноградов Б. В. и др. Физические величины: Справочник. / под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. . М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.
Osipov V. V., Solomonov V. I., Ivanov M. G. , Platonov V. V., Snigireva O. A., Lisenkov V. V. Dynamics and spectroscopy of the laser plume from solid targets // Laser physics. 2006, Vol. 16, № 1, P. 134-145. DOI: 10.1134/S1054660X06010130
Осипов В. В., Платонов В. В., Лисенков В. В. Динамика лазерного факела в процессе синтеза наночастиц // Квантовая электроника. 2009, Т. 39, № 6, С.541-546.
Осипов В. В., Соломонов В. И., Спирина А. В., Лисенков В. В., Платонов В. В., Подкин А. В. Спектроскопия лазерного факела, возникающего под действием излучения иттербиевого волоконного лазера // Оптика и спектроскопия. 2017, Т. 122, № 1, С. 169–176
Evtushenko G. S., Trigub M. V., Gubarev F. A., Evtushenko T. G., Torgaev S. N., Shiyanov D. V. Laser monitor for non-destructive testing of materials and processes shielded by intensive background lighting // Review of Scientific Instruments. 2014. Vol. 85, № 3, Article number 033111. DOI: 10.1063/1.4869155
Осипов В. В., Лисенков В. В., Платонов В. В. Лазерный синтез нанопорошков в стехиометрии ииттрий-алюминиевого граната // Письма в ЖТФ. 2011, Т. 37, № 1, С. 103–110.
Muller E., Oestreich Ch., Popp U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K.-H. Characterisation of nanocrystalline oxide powders prepared by CO2 laser evaporation // J. KONA – Powder and Particle. 1995. Vol. 13, P. 79–88.
Osipov V. V., Platonov V. V., Lisenkov V. V. Laser Ablation Synthesis and Properties of Nanocrystalline Oxide Powders // Handbook of Nanoparticles / ed.: Aliofkhazraei M., Springer International Publishing Switzerland, 2015, Vol. 2, P. 1 22. DOI 10.1007/978-3-319-13188-7_8-1.
Osipov V. V., KotovYu. A., Ivanov M. G., Samatov O. M., Lisenkov V. V., Platonov V. V. at al. Laser synthesis of nanopowders // Laser Physics. 2006, Vol. 16, № 1, P. 116–125. DOI: 10.1134/S1054660X06010105
Белов Н. Н. Комплексный показатель преломления окиси алюминия // Кристаллография. 1989. Т. 34, Вып. 5, C. 1185-1189.
Innocenzi M. E., Swimm R. T., Bass M., French R. H., Kokta M. R. Optical absorption in undoped yttrium aluminum garnet // Journal of Applied Physics. 1990. V. 68, P.1200-1204. doi: 10.1063/1.346717
Hideyasu Tsuiki, Toshiaki Masumoto, Koichi Kitazawa, Kazuo Fueki. Effect of point defect on laser oscillation properties of Nd-doped Y2O3 // Japanese Journal of Applied Physics. 1982. V. 21, № 7, P. 1017-1021.
Данилейко Ю. К., Маненков А. А., Прохоров А. М., Хаимов-Мальков В. Я. Поверхностное разрушение кристаллов рубина лазерным излучением // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1970, Т. 58, № 1, С. 31-36.
Палашов О. В., Хазанов Е. А., Мухин И. Б., Смирнов А. Н., Миронов И. А., Дукельский К. В. и др. Измерения оптического поглощения образцов нанокерамики из CaF2 // Квантовая электроника. 2009, Т. 39, № 10, С. 943–947.
Епифанов А. С., Маненков А. А., Прохоров А. М. / Теория лавинной ионизации в твердых телах под действием электромагнитного поля // Труды ФИАН. 1978, Т. 101, С. 87-129.
Колдунов М. Ф., Маненков А. А., Покатило И. Л. Механическое разрушение прозрачных твердых тел лазерными импульсами разной длительности // Квантовая электроника. 2002, Т. 32, № 4, С. 335 340.
Горшков Б. Г., Данилейко Ю. К., Маненков А. А., Прохоров А. М., Сидорин А. В. Размерный эффект и статистика лазерного разрушения щёлочно-галоидных кристаллов на длине волны 10,6мкм. // Квантовая электроника. 1981, Т. 8, № 1, С.148-154.
Skolnik L. H., Lipson H. G., Bendow B., Schott J. T. Temperature dependence of the absorption coefficient of GaAs and ZnSe at 10,6μm // Applied Physics Letters. 1974, Vol. 25, № 8, P. 442-445. DOI: 10.1063/1.1655541
Галактионов А. В., Степанов С. В. Воздействие излучения на сильнорассеивающие керамики. // Теплофизика высоких температур. 1990, Т. 28, № 1, С. 124-130.
Трибельский М. И. / Особенности рассеяния света частицами с большим коэффициентом преломления // Оптический журнал, 2017, Т. 84, № 7, С. 4-12.
Tribelsky M. I., Miroshnichenko A. E. Giant in-particle field concentration and Fano resonances at light scattering by high-refractive-index particles // Physical review A. 2016, V. 93, Iss. 5, article number 053837. DOI: 10.1103/PhysRevA.93.053837
Rybin M. V., Khanikaev A. V., Inoue M., Samusev K. B., Steel M. J., Yushin G. and Limonov M. F. / Fano Resonance between Mie and Bragg Scattering in Photonic Crystals // Physical Review Letters. 2009, V. 103, Article number 023901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.023901
Fano U. Effects of configuration interaction on intensities and phase shifts // The Physical review. 1961, V. 124, Iss. 6, P. 1866–1878.
Гейнц Ю. Э., Землянов А. А., Панина Е. К. Эффект «фотоннойнаноструи» в многослойных микронных сферических частицах. // Квантовая электроника. 2011, Т. 41, № 6, С. 520-525.
Гейнц Ю. Э., Землянов А. А., Панина Е. К. Характеристики фотонных наноструй от упорядоченных микросборок диэлектрических сфер // Квантовая электроника. 2016, Т. 46, № 3, С. 236-241.
Скрипов В. П., Файзуллин М. З. Фазовые переходы кристалл-жидкость-пар и термодинамическое подобие. М.: Физматлит, 2003. 160 с.
Балкевич В. Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1984. 256 с.
Казенас Е. К., Цветков Ю. В. Испарение оксидов. М.: Наука, 1997, 543 с.
Брайловский А. Б., Дорофеев И. А., Езерский А. Б., Ермаков В. А., Лучин В. И., Семенов В. Е. Формирование крупномасштабного рельефа поверхности мишени при многократном импульсном воздействии лазерного излучения // Журнал технической физики. 1991. Т. 61, № 3, С. 129-138.
Brailovsky A. B., Gaponov S. V., Luchin V. I. Mechanisms of melt droplets and solid-particle ejection from a target surface by pulsed laser action // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 1995. Vol. 61, № 1, P. 81–86. DOI: 10.1007/BF01538216
Мин Г., Юн Т., Сюнь Г., Боши Ю., Гуанюн Ц. Температурное поле в монокристаллическом кремнии, облучаемом лазером c миллисекундной длительностью импульса // Прикладная механика и техническая физика. 2017. Т. 58, № 4, С. 142-152. DOI: 10.15372/PMTF20170414
Зубарев Н. М., Кузнецов Е. А. Формирование особенностей на поверхности раздела жидкостей при развитии неустойчивости Кельвина–Гельмгольца // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2014. Т. 146. № 1.С. 194-204.
Moore D. W. The spontaneous appearance of a singularity in the shape of an evolving vortex sheet // Proc R Soc London Ser A. 1979. Vol. 365, Iss. 1720, P. 105-119. DOI: 10.1098/rspa.1979.0009
Platonov V. V., Kochurin E. A., Osipov V. V., Lisenkov V. V., Zubarev N. M. Characteristic properties of laser ablation of translucent targets // Laser Physics. 2018. Vol. 28, №7, Article number 076002. DOI: 10.1088/1555-6611/aabdb4
Balakrishnan A., Pizette P., Martin C. L., Joshi S. V., Saha B. P. Effect of particle size in aggregated and agglomerated ceramic powders // ActaMaterialia. 2010. Vol. 58, №3, P. 802-812. DOI: 10.1016/j.actamat.2009.09.058
Osipov V. V.,·Platonov V. V., Lisenkov V. V.,·Tikhonov E. V., Podkin A. V. // Applied Physics A. 2018. Vol. 124, Iss.1, article number 3. DOI: 10.1007/s00339-017-1348-9
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2023 Lasers. Measurements. Information
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Copyright information
Тексты данной электронной статьи защищены (cc) Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.
Вы можете свободно:
Делиться (You are free: to Share) – копировать, распространять и передавать другим лицам данную электронную книгу при обязательном соблюдении следующих условий:
– Атрибуция (Attribution) – Вы должны атрибутировать произведения (указывать автора и источник) в порядке, предусмотренном автором или лицензиаром (но только так, чтобы никоим образом не подразумевалось, что они поддерживают вас или использование вами данного произведения).
– Некоммерческое использование (Noncommercial use) – Вы не можете использовать эти произведения в коммерческих целях.
– Без производных произведений – Вы не можете изменять, преобразовывать или брать за основу эту электронную книгу или отдельные произведения.
Licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.
To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
or send a letter to Creative Commons, 444 Castro Street, Suite 900, Mountain View, California, 94041, USA.
You are free:
to Share — to copy, distribute and transmit the work
Under the following conditions:
Attribution — You must attribute the work in the manner specified by the author or licensor (but not in any way that suggests that they endorse you or your use of the work).
Non-commercial — You may not use this work for commercial purposes.
No Derivative Works — You may not alter, transform, or build upon this work.
Any of the above conditions can be waived if you get permission from the copyright holder.
