Направление Нанонауки, нови материали и технологии Тема 7: 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).

10. M.D. Shink and P.A. Molian, “A review of ultrashort pulsed laser ablation of metarials”, J. of Laser Applications, 10, 1, 18-28 (1998).
Утвърден от НС на ИЕ-БАН на заседанието на 28.09.2006 г. Протокол № 5, т. 3.
Секретар на НС:
(ст.н.с. д-р Б. Вичев)

КРАТКА НАУЧНА БИОГРАФИЯ

1. ИМЕ И СЛУЖЕБЕН АДРЕС: Петър Асенов Атанасов

Българска Академия на Науките, Институт по електроника, бул. “Цариградско шосе” 72, София 1784

Тел.: 7144 – 382; Факс: 975 3201; Е-mail: paatanas@ie.bas.bg

2. ОБЛАСТ НА НАУЧНА КВАЛИФИКАЦИЯ: Физика - квантова електроника, взаимодествие на лазерно лъчение с веществото, лазерно отлагане на тънки слоеве, микро- и нано-фотоника, взаимодействие на лазерното лъчение с веществото

3. ПОСЛЕДНИ НАУЧНИ ЗВАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ, В КОИТО СА ПОЛУЧЕНИ:

02.02.1993- професор И-т по електроника - БАН

2002-2003 (10 мес.) гост професор Университет Кейо, Йокохама, Япония

1999-2000 (7 мес.) гост професор Институт по оптика, Мадрид, Испания

1997-1998 (5 мес.) гост професор Университет Чиба, Чиба, Япония

4. ПОЛУЧЕНИ НАУЧНИ СТЕПЕНИ:

1977 КФН “Изследване на конвенционални СО₂ лазери и тяхното приложение за диагностика на плазмата”

1991 ДФН “Газоразрядни СО₂ лазери със самостоятелен разряд - физични проблеми, устройства и приложения”

2008 Член кореспондент

1996-до сега Global COE Program “High-level, Global Cooperation for Leading-Edge Platform on Access Space”, Университет Кейо, Япония; 21^st Century Centre of Excellence и Global Centre of Excellence, Университет Кейо, Япония; Университет на Чиба, Япония; Университет Кейо, Япония; И-т по проточни машини, Гданск, Полша; И-т по оптика, CSIC, Мадрид, Испания; Национален И-т по Физика на материята, CNR, Coherentia-INFM, Неапол, Италия; И-т по мощни лазери, Университет на Щутгарт, Германия; Институт по физика, ЧАН, Прага, Република Чехия; Технически У-т, Кладно, Република Чехия; НТУ, Атина, Гърция.

2002 Лекции по Физика ІІ част, ТУ, София.

1997-2002 Лекции и упражнения “Лазерни, електронни и йонни технологии”, ТУ, филиал гр. Сливен.

1995 Лекции и упражнения “Лазери - физика и приложения”, ТУ, филиал гр. Сливен.

1979-1984 Лекции “Физика”, ИЧС, София.

1979-1989 Ръководство на серия курсове и четене лекци “Приложение на лазерната техника в машиностроителната и електронната промишленост”, КВАЛИМА, МИП.

1976-1977 Лаб. Упражнения “Газови лазери”, Фз.Ф-т на СУ.

1975 Лаб. упражнения “Радиотехника”, Фз.Ф-т на СУ.

B. Ръководство на дипломанти и докторанти – успешно защитили 11 докторанти и 13 дипломанти

7. НАУЧНО-ПРИЛОЖНА ДЕЙНОСТ: Разработени 120 авангардни лазерни технологии. Приложни разработки: 10; Актове за внедряване: 4 разработки; Ръководство на извънпланови и по 10 РМС договори: 9

8. ПУБЛИКАЦИИ И ЦИТАТИ: Статии в научни списания и сборници – 243, монографии – 6, Доклади на международни конференции у нас и в чужбина: 166 (от тях 34 поканени); Цитирания на трудовете: 124 труда - 892 пъти; Патенти и авторски свидетелства: 7; Обзорни материали: 3 брошура издание на БАН.

9. ЧЛЕНСТВО В НАУЧНИ СЪВЕТИ И КОМИСИИ: НС на ИЕ при БАН, СНС по “Радиофизика, физична и квантова електроника” към ВАК, НТС на ИО, ОЗОНТ, НТС на ТЦ по “Електроннолъчеви технологии”, Фак. Съвет на ТУ, Сливен, Съвет по Нац. сигурност при БАН.

10. ЧЛЕНСТВО В НАУЧНИ ОРГАНИЗАЦИИ: Съюз на физиците в България, Председател на Българска секция на SPIE (The Intern. Soc. for Optical Engineering), Laser Institute of America

11. ЧЛЕНСТВО В МЕЖДУНАРОДНИ ОРГКОМИТЕТИ И ДР.: Рецензент на статии за: Bulgarian Journal of Physics, Оptics Communications, IEE Proc. - Optoelectronics; Редколегии: Редактор на "Lasers: Physics and Applications", WSPCo, Singapore, Proc. of VII Int. School on Quant. Electron, "Lasers - Physics and Applications", Sofia, Proc. of VIII Int. School on Quant. Electron, "Lasers - Physics and Applications", Варна, "Lasers - Physics and Applications", Proc. of SPIE, v. 3052, 3237, 4397, 5226, 5830, 6604, 7751 USA, Член на Редакционна колегия на Bulg. J. of Physics, Редактор на "Lasers - Physics and Аpplications",

Международни оргкомитети: Член, председател на Орг. и Прогр. комитет на III, IV, V, VI, VII, VIII, IХ и Х межд. школи по Квантова електроника “Лазери: физика и приложение”, Член на Прогр. комитет на ЛАЗЕРИ'88, Пловдив, Межд. научен комитет X Int. Symposium on "Gas Flow & Chemical Lasers", Friedrichshafen, Германия, Межд. научен комитет на XI Int. Symposium on "Gas Flow & Сhemical Lasers; High Power Lasers", Edinburgh, Великобритания, Межд. научен комитет на XII Int. Symposium on "Gas Flow & Сhemical Lasers; High Power Lasers", С. Петерсбург, Русия, Межд. комитет на NATO Advanced Study Institute "High Power Lasers - Sciences and Engineering", Чехия, Межд. Научен Комитет на Int. Symposium on "Advanced Materials for Optics and Opto-electronics" ALT'95, Чехия, Председател на Българска секция на Int. Soc. for Optical Engineering - SPIE.

12. МЕЖДУНАРОДНИ, НАЦИОНАЛНИ И ВЪТРЕШНО-АКАДЕМИЧНИ НАГРАДИ

2012 г. Награда за висока оценка за големия принос към програмата на глобалния Център за върхови постижения “High-level, Global Cooperation for Leading-Edge Platform on Access Space” към Университета Кейо, Япония като член от 2007 до 2012г.

2009 г. Голямата Национална награда „ПИТАГОР” за изключителни научни постижения през 2008 г.

2008 г. Награда “Академик Емил Джаков” за научни постижения през 2007 г. в областта на Радиофизиката, Квантовата електроника и физичната електроника

2006 г. Награда “Академик Емил Джаков” за научни постижения през 2005 г. в областта на Радиофизиката, Квантовата електроника и физичната електроника

1984 г. Награда на Председателя на БАН