Исследование поможет разработать новые методы микрообработки, приблизит создание сенсоров нового типа, а также будет полезно в биомеханике и реабилитационной инженерии. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.
Физики МГУ исследуют механизмы ионизации вещества в широком диапазоне длин волн воздействующего высокоинтенсивного лазерного излучения: от видимого до среднего ИК. Фёдор Потёмкин/МГУ
В настоящее время лазерные технологии активно продвигаются в смежные диапазоны длин волн, недоступные человеческому глазу – рентгеновскую и инфракрасную (ИК) области. История лазерных источников в среднем ИК-диапазоне длин волн (2,5 – 25 мкм) ведется практически от изобретения самих лазеров (с 1964 года). Создаваемые сегодня источники излучения в среднем ИК-диапазоне, в отличие от своих предшественников, обладают ультракороткой длительностью вплоть до десятков фемтосекунд (10-15 с). Изменение длины волны и длительности импульса лазерного излучения по сравнению с доступными ранее источниками приводит к новому характеру взаимодействия излучения с веществом.
Группа учёных кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ исследует механизмы пробоя вещества (диэлектриков и полупроводников), то есть необратимого изменения структуры, под воздействием лазерного излучения с разной длиной волны. Для излучения ультракороткой длительности первым шагом на пути повреждения материала является генерация плазмы – возбуждение и ионизация электронов атомов. Механизмы ионизации зависят от длины волны воздействующего излучения. В видимом диапазоне длин волн преобладает многофотонная ионизация, в то время как в среднем ИК-диапазоне генерация электронов происходит за счет туннельного механизма. Созданные электроны затем начинают увеличивать свою энергию (нагреваться) за счет взаимодействия с лазерным импульсом. Характер этого взаимодействия также зависит от длины волны. В видимой области спектра нагрев крайне неэффективен. В области длин волн 3 – 4 мкм электроны очень быстро увеличивают свою энергию. Однако на больших длинах волн механизм нагрева снова меняется, и эффективный набор энергии прекращается. «В данной работе нам впервые удалось проследить изменение описанных механизмов от видимого диапазона длин волн до среднего ИК как экспериментально, так и с помощью численного моделирования. Полученная информация позволяет судить о зависимости порога повреждения материала от длины волны», – рассказал Фёдор Потёмкин, доцент кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ.
Физики МГУ самостоятельно разрабатывают фемтосекундные источники лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне, что позволяет им контролировать и управлять параметрами лазерных импульсов для проведения такого рода экспериментов. В МГУ разработаны авторские методики по регистрации процесса генерации плазмы (например, с использованием процесса генерации третьей гармоники), измерения ее параметров и эволюции. Сочетание указанного опыта позволяет учёным из МГУ независимо проводить все экспериментальные исследования. Кроме того, в данной работе авторами из МГУ также была разработана теоретическая модель и написан комплекс программ для расчета процессов ионизации.
Полученные результаты важны для развития технологической базы оптических компонент среднего ИК-диапазона, так как для развития самих лазерных источников необходимы оптические покрытия и элементы с высокой лучевой прочностью. «Понимание механизмов ионизации, предшествующих пробою, позволяет управлять этим явлением. В частности, создание модифицированных областей с управляемой морфологией, размером и структурой является важной задачей лазерной микрообработки. Так как импульсы с разной длиной волны по-разному взаимодействуют с веществом, то мультиспектральное воздействие (например, за счет использования пары импульсов с разными длинами волн) может привести к повышению точности процесса микрообработки, сделает его более управляемым и предсказуемым. Новые методы микрообработки важны, например, для создания сенсоров на основе волоконных Брэгговских решеток в биомеханике и реабилитационной инженерии (определение суставных напряжений и деформаций)», – добавил Фёдор Потёмкин.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ
