Интеракција зрачења импулсног ТЕА СО2 ласера са бакарном метом: спектроскопија плазме и морфолошки ефекти

Abstract

Physical chemistry / hysical chemistry - spectroscopy and Physical chemistry - material science

Област проучавања ове дисертације је интеракција ласерског зрачења са металима. Ова актуелна научна област, значајна је како због бољег разумевања сложених процеса до којих долази приликом ове интеракције, тако и због бројних могућих примена. Предмет проучавања ове дисертације је интеракција зрачења импулсног наносекундног угљендиоксидног ласера са бакарном метом. Бакар је изабран као мета због великог значаја коју овај метал и његове легуре имају у савременим технологијама. Поред тога, у литератури нема података о индуковању плазме на бакру под дејством зрачења чији су интензитети реда величине од 30 до 110 MW cm-2, што је представљало својеврстан научни изазов. Циљ ове дисертације је, пре свега, проналажење оптималних експерименталних услова за стварање ласерски индуковане плазме под дејством зрачења импулсног TEA CO2 ласера на бакарну мету. Испитан је утицај стања површине мете, начина фокусирања ласерског зрачења, састава (азот, аргон, хелијум и ваздух) као и притиска (од 0,1 mbar до 1013 mbar) околног гаса на услове за стварање плазме. Спектрална емисија ласерски индуковане плазме проучавана је методом временски-интеграљене просторно-разложене оптичке емисионе спектроскопије. Посебна пажња посвећена је спектрoскопији плазме индукованој у атмосфери ваздуха. Показало се да се оптимални услови за стварање плазме постижу повећањем храпавости површине мете, постављањем мете +1,5 cm изван фокуса и снижавањем притиска ваздуха на 0,1 mbar. Резултати добијени у овој тези показали су да се посматрањем емисије из одређених зона плазме (на одређеним растојањима од површине мете) може постићи добар однос линије према позадини и линије према шуму и без временског разлагања сигнала. Ово је значајно са становишта поједностављења експерименталне технике.Такође, резултати показују да плазма индукована при коришћеним експеримeнталним условима има повољне карактеристике за спектрохемијску примену, јер се емисиони спектар састоји од добро разложених, оштрих и интензивних линија и континуалног зрачења врло ниског интензитета. Овакав закључак потврђују и границе детекције које су одређене за елементе присутне у траговима у узорцима бакра и месинга, а које су биле у опсегу 10 ppm. У овој тези проучаване су и морфолошке промена на бакарној мети које настају под дејством зрачења TEA CO2 ласера. Један мањи део истраживања урађен је коришћењем фемтосекундног титан-сафирног ласера, при чему је интензитет ласерског зрачења био у опсегу од 1012 до 1015 MW cm-2. За карактеризацију површине узорка пре и након озрачивања коришћене су различите технике: оптичка и електронска микроскопија, као и профилометрија. Дејство наносекундног ласера огледа се у формирању релативно глатких региона који су условљени топљењем бакра као и у хемијским променама на површини мете. Са порастом броја акумулираних импулса укупан ефекат добијен озрачивањем наносекундним ласерским зрачењем је “чишћење” мете, које може бити од значаја за примену у електроници. Дејство фемтосекундног ласера карактерише појава периодичних површинских структура што може имати значајну примену у оптици и електроници, нарочито у фотолитографији.

This thesis is devoted to studies of the interaction of intense laser pulses with metal targets. This advanced area of research is essential for better understanding of the complex processes that occur during interaction of laser radiation with metal surfaces, and also because of a number of useful applications. The subject of research of this thesis is the interaction of a nanosecond carbon dioxide laser pulses with a copper target. The copper was selected as a target material because of a great importance of this metal and his alloys in advanced technologies. In addition, in the literature there is a lack of data concerning creation of copper plasma by using the laser pulses of low/moderate intensity. Thus, generation of copper plasma using laser peak intensities in the range of 30 to 110 MW cm-2 was a motivating task. The main aim of these investigations was to find optimal experimental conditions for the generation of plasma during irradiation of a copper target with TEA CO2 laser pulses. The influence of target surface state, focusing conditions, composition (nitrogen, argon, helium, air) and pressure (0.1 to 1013 mbar) of the surrounding atmosphere was studied. The spectral emission of laser induced plasma was studied using time-integrated spatially-resolved optical emission spectroscopy. A special attention was paid to a laser induced plasma spectroscopy studies under the ambient air. It was found that the optimal conditions for target plasma generation were obtained when targets with increased surface roughness were used, when the target was placed +1.5 cm out of the focus position, and when the air pressure was reduced to 0.1 mbar. The results have shown that good signal to noise and signal to background ratios could be obtained from emission measurements from spatially selected plasma zones, even without the use of time-gated detection. In the light of complexity of experimental setup, this result is of great importance. The emission spectra consisted of well resolved, sharp, and intense spectral lines, with very low background emission intensity. Thus, under the applied experimental conditions, the laser induced plasma has favorable characteristics for spectrochemical applications. Such conclusion was supported by the estimated limits of detection for trace elements detected in a copper and brass samples, which were in the range of 10 ppm. Morphological changes of a copper target induced by irradiation with TEA CO2 laser pulses were also studied. For these studies titanium-sapphire laser with the intensity of the laser radiation in the range 1012 to 1015 MW cm-2 was also used. For characterization of the target surface before and after the irradiation with laser light, different experimental techniques were used: optical microscopy, electron microscopy, and profilometry. The effect of nanosecond laser irradiation was the creation of relatively smooth areas caused by target melting, and also by the chemical changes of the surface. The cumulative effect of the increased number of accumulated laser pulses was some kind of surface cleaning which may find applications in electronics. The effect of femtosecond laser irradiation was appearance of periodic surface structures, which may find application in optics and electronics, especially in photolithography