Направление Нанонауки, нови материали и технологии Тема 2: взаимодействие на лазерно лъчение с веществото

22 учебни часа

В курса са разгледани основните проблеми на взаимодействието на лазерно лъчение с веществото - поглъщане на лазерното лъчение (оптичните свойства на метали, полупроводници и диелектрици, фазови трансформации), нагряване чрез лазерно лъчение (разпределение на температурата, процеси при лазерното третиране), топене и втвърдяване, процеси на изпарение и формиране на плазма. Представени са и няколко конкретни примера по моделиране на процесите при лазерна обработка на материали. Разгледани са най-съвременни лазерни микро- и нанотехнологии, свръхмощни импулсни твърдотелни лазери и взаимодействие на свръхкъси лазерни импулси с веществото (лазерна аблация, метода на молекулната динамика, формиране на наночастици във вакуум).

The basics of interaction between laser radiation with matter are stated: absorption of laser radiation (optical properties of metals, semiconductors and dielectrics, phase transformation), laser heating (heat conduction into solids, processes during laser treatment), melting and solidification, evaporation and plasma formation during laser-matter interaction. Some examples for modeling of the processes of laser processing are described. The most advanced and modern laser micro- and nano-technologies are given. High pulsed solid states laser systems are described and interaction of ultra-short laser pulses with matter is presented. Laser ablation by ultra-short laser pulses is described as well as formation of plume in vacuum.

2. Нагряване чрез лазерно лъчение. Лазерно заваряване на пластмаси - 2 часа.

3. Топене и втвърдяване - 3 часа.

4. Изпарение и формиране на плазма. Лазерно рязане на композитни елементи - 2 часа.

5. Пробиване на отвори в керамики (Si₃N₄ and Al₂O₃) посредством наносекундни импулси – 2 часа.

6. Лазерни микро- и нанотехнологии - 2 час.

7. Свръхмощни импулсни твърдотелни лазери и взаимодействие на фемто- и пикосекундни импулси с веществото - 3 часа.

8. Получаване на наноструктури – 3 часа.

9. Лазерна аблация, процеси във твърдото тяло, формиране на ударна вълна – симулации с метода на молекулната динамика, формиране на наночастици във вакуум – 3 часа.

К О Н С П Е К Т

по “ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ С ВЕЩЕСТВОТО”

1. Основни положения на оптичните свойства на веществата. Макроскопични свойства на материалите. Метали и неметали.

2. Модифицирани оптични свойства. Самофокусировка, ефекти на свободните носители, полупроводници, изолатори и отражение от нагряти метали.

3. Фазови трансформации. Пробиване на отвори, изпарение и формиране на плазма.

4. Нагряване на материала с лазерно лъчение. Примери за решаване на уравнението за топлопроводност. Процеси на охлаждане. Движещ си топлинен източник.

5. Повърхностна модификация. Лазерно отгряване. Кристализация и повърхностно закаляване.

6. Основи на топенето и втвърдяване при лазерно третиране. Топлинен поток и скрита топлина на топенето. Термодинамични ефекти.

7. Повърхностно третиране. Свръхохлаждане. Аморфни метали.

8. Термодинамика и кинетика на изпарението. Хидродинамични ефекти. Изпарение при относително ниски стойности на плътността на лъчението.

9. Процеси при свръхголеми плътности на лъчението.

10. Съвременни микро- и нанотехнологии. Комбиниране на тунелна микроскопия с лазерно облъчване за запис на информация.

11. Свръхмощни импулсни твърдотелни лазери. Методи за повишаване на импулсната лазерна мощност и енергия.

12. Разтягане и компресия на лазерни импулси.

13. Взаимодействие на свръхкъси лазерни импулси с веществото.

14. Взаимодействие на свръх високи плътности на мощността с веществото - нелинеен релативистки режим. Нелинейна квантова електроника.
ЛИТЕРАТУРА:

1. Allmen, M. von, Laser-Beam Interactions with Materials, Springer, Berlin, 1987.

2. Carslow, H.S. and Jaeger, J.C., Conduction of Heat in Solids, Oxford, 1959.

3. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов, Москва, М. 1986.

4. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения, Москва, М. 1974.

5. J.D. Hunn, C.P. Christensen, “Ion beam and laser-assisted micromachining of single-chrystal diamond”, Solid State Tech., 12, 57-60 (1994).

6. K. Dickmann, J. Jersch, “Nanostructuring with laser radiation by field enhancement in the nearfield of a STM tip”, Laser and Optoelektronik, 27, 76-83 (1995).

7. B.N. Chichkov et al., “Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids”, Appl. Phys. A, 63, 109-115 (1996).

8. G. Mounrou, “The ultrahigh-peak-power laser: present and future”, Appl. Phys. A, 65, 205-211 (1997).

9. X. Liu, D. Du and G. Mourou, “Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses”, IEEE J. QE, 33, 10, 1706-1716 (1997).