نویسندگان
1 1. گروه پژوهشی لیزر و پلاسما، پژوهشکده فوتونیک، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان
2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران
چکیده
در این مقاله، فرآیند کندوسوز از سطح فلز مس با استفاده لیزرهای پالسی نانوثانیه مورد مطالعه قرار گرفته است. رفتار دینامیکی پلاسمای تشکیل شده درون محیط گازی هلیوم با فشار یک اتمسفر به کمک یک پالس لیزری ns 5 و طول موج nm 1064 و شدت لیزر 2-W/cm1010× 7 در قالب یک مدل گرمایی یک بعدی بررسی شده است. نتایج عددی نشان می دهند که با لحاظ کردن یونش و جذب لیزر در پلوم پلاسمایی، دینامیک پلوم به شدت تحت تأثیر قرار می گیرد. یونش در سطح مس حتی در هنگام اثر پالس لیزر افزایش می یابد. از طرفی، درجه یونش مس و هلیوم برحسب موقعیت در پلوم به شدت تغییر می کند. همچنین، برای محدودهای از شدت های لیزری2- W/cm109×5 تا 2- W/cm108، هیچ کندوسوزی اتفاق نمی افتد و آستانه کندوسوز2- W/cm109×5 است. در نزدیکی سطح هدف و لایه مخلوط، فرآیند یونش مرتبه اول مس غالب است. از طرفی، در هسته پلاسما، فرآیند یونش مرتبه دوم مس غالب است. مشاهده شده است که نزدیک سطح مس، همواره یونش نوری و جذب برم اشترلانگ معکوس الکترون – خنثی از اهمیت بالاتری برخوردار است. علاوه بر این، رفتار دمایی هدف، اعم از عمق مذاب، عمق تبخیر و نرخ تبخیر، سپس تشکیل پلاسما و دینامیک های آن، مانند چگالی پلاسما، چگالی گاز هلیوم، سرعت انبساط، دمای پلاسما و شدت لیزر نهایی که به سطح هدف میرسد، مورد مطالعه قرار گرفته است.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Study of laser ablation using nano-second laser pulses
نویسندگان [English]
- S Namvar 1
- A R Ganjovi 1
- M A Bassam 2
چکیده [English]
In this paper, the laser ablation process based on the irradiation of nanosecond pulsed lasers on a copper target surface in the presence of Helium gas is studied. The dynamical behaviors of the generated plasma in the helium gas and evaporated copper at the atmospheric pressure are examined using a laser pulse, laser wavelength of and intensity of 7×1010W/cm2. A one-dimensional thermal model is used and, the numerical results show that, if the ionization and laser absorption processes in plasma plume are considered, the plume dynamics is strongly affected. It is seen that, the ionization at the copper surface will be increased during the laser pulses irradiation. On the other hand, the ionization degree for both the copper and helium is significantly varied according to their atomic structure. Moreover, for laser intensity in the range of 108 to 5×109W/cm2, the laser ablation is not occurred. The laser ablation threshold is about 5×109W/cm2. The first order ionization for copper is the dominant process in the proximity of both the target surface and mixed layer. On the other hand, in the plasma core, the second order ionization of copper is dominant. Besides, it is shown that, in the proximity of the target surface, the influences of photoionization and reverse Bremsstrahlung absorption for the electron-neutral are higher. In addition, the target parameters, including melt depth, evaporation depth and rate, plasma density, helium gas density, expansion velocity, plasma temperature and laser intensity reaching the copper target surface are studied.
کلیدواژه‌ها [English]
- laser ablation
- plasma plume expansion- laser irradiance
- photoionization
- reverse Bremsstrahlung absorption
2. D B Chrisey and G K Hubler, “Pulsed Laser Deposition of Thin Films”, Wiley New York (1994).
3. A G Gnedovets, A V Gusarov, and I Smurov, J. Phys. D 32 (1999) 2162.
4. S S Harilal, C V Bindhu, M S Tillack, F Najmabadi, and A C Gaeris, J. Appl. Phys. 93 (2003) 2380.
5. A Miotello, R Kelly, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 69 (1999) S67.
6. V Detalle, M Sabsabi, L St-Onge, A Hamel, and R Héon, Appl. Opt. 42 (2003) 5971.
7. Z Chen and A Bogaerts, J. Appl. Phys. 97 (2005) 063305.
8. W T Nichols, T Sasaki, and N Koshizaki, J. Appl. Phys. 100 (2006) 114911.
9. A V Gusarov and I Smurov, J. Phys. D 36 (2003) 2962.
10. L Balazs, R Gijbels, and A Vertes, Anal. Chem. 63 (1991) 314.
11. A Bogaerts, Z Y Chen, R Gijbels, and A Vertes, B: Atom. Spectrosc. 5 (2003) 1867.
12. H C Le, D E Zeitoun, J D Parisse, M Sentis, and W Marine, Phys. Rev. E 62 (2000) 4152.
13. A Bogaerts and Z Chen, Spectrochim. Acta B: Atom. Spectrosc. 60 (2005) 1280.
14. N M Bulgakova and A V Bulgakov, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 73 (2001) 199.
15. P Atkins and J de Paula, “Physical Chemistry”, Oxford University, Oxford (2002).
16. R B Bird, W E Stewart, and E N Lightfoot, “Transport Phenomena”, Wiley New York (1960).
17. L Spitzer, Physics of Fully Ioinized Gases”, Interscience Publishers London (1956).
18. X Mao and R E Russo, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 64 (1996) 1.
19. J F Ready, “Effects of High Power Laser Radiation”, Academic, New York (1971).
20. L J Rakziemski and D A Cremers, “Laser-Induced Plasmas and Applications”, Marcel Dekker Inc., New York (1989).
21. A V Gusarov, A G Gnedovets, and I Smurov, J. AppI. Phys. 88 (2000) 4352.
22. L D Landau and E M Lifschitz, “Fluid Mechanics”, Pergamon, New York (1959).
23. C J Knight, American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal 17 (1979) 519.
24. F Dabby and U C Paek, IEEE J. Quant. Electron. 8 (1972) 106.
25. S Conesa, S Palanco, and J J Laserna, Spectrochim. Acta, B: Atom. Spectrosc. 59 (2004) 1395.
26. H C Liu, X L Mao, J H Yoo, and R E Russo, Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 1216.
27. J H Yoo, O V Borisov, X Mao, and R E Russo, Anal. Chem. 73 (2001) 2288.
28. H Borchert, K Dare´e, and M Hugenschmidt, J. Phys. D 38 (2005) 300.
29. B Le Drogoff, J Margot, F Vidal, S Laville, M Chaker, M Sabsabi, T W Johnston, and O Barthe lemy, Plasma Sources Sci. Technol. 13 (2004) 223.
30. X L Mao, O V Borisov, and R E Russo, Spectrochim. Acta, B: Atom. Spectrosc. 53 (1998) 731.
31. X L Mao, A C Ciocan, O V Borisov, and R E Russo, Appl. Surf. Sci. 127-129 (1998) 262.
32. S S Mao, X Zeng, X Mao, and R E Russo, J. Anal. At. Spectrom. 19 (2004) 495.
33. R Fabbro, E Fabre, F Amiranoff, G Garban-Labaune, J Virmont, M Weinfeld, and C E Max, Phys. Rev. A 26 (1982) 2289.
34. L M Cabalin and J J Laserna, Spectrochim. Acta, B: Atom. Spectrosc. 53 (1998) 723.
35. G Abdellatif and H Imam, Spectrochim. Acta. B: Atom. Spectrosc. 57 (2002) 1155.
36. G Callies, B Peter, and H Helmut, J. Phys. D 28 (1995) 794.
37. S Bashir, N Farid, K Mahmood, and M S Rafique, J. Appl. Phys. A 107 (2012) 203.
38. T H Maiman, R Hoskins, I d'Haenens, C Asawa, and V Evtuhov, Phys. Rev. 123 (1961) 1151.
)