Интеракција зрачења импулсног ТЕА СО2 ласера са бакарном метом: спектроскопија плазме и морфолошки ефекти
Interaction of impulse TEA CO2 laser radiation with copper target: spectroscopy of plasma and morphological effects
Author
Momčilović, Miloš D.Mentor
Kuzmanović, Miroslav
Committee members
Trtica, Milan
Holclajtner-Antunović, Ivanka

Miljanić, Šćepan

Savović, Jelena

Metadata
Show full item recordAbstract
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
Faculty:
Универзитет у Београду, Факултет за физичку хемијуDate:
10-10-2014Projects:
- Effects of laser radiation and plasma on novel materials in their synthesis, modification, and analysis (RS-172019)