Laboratorium Oddziaływania Promieniowania Laserowego z Materią

W Laboratorium Oddziaływania Promieniowania Laserowego z Materią będzie realizowany program, zakładający wykorzystanie zakupionej w ramach projektu OPTOLAB aparatury, obejmujący tematy:
1. Powierzchniowa i objętościowa laserowa mikroobróbka interferencyjna materiałów.
2. Badanie właściwości materiałów w warunkach dynamicznych obciążeń wytwarzanych impulsem laserowym.
3. Konwersja impulsów laserowych na promieniowanie krótkofalowe i korpuskularne dla potrzeb technologii nowych materiałów: modyfikacja warstwy wierzchniej, mikro i nano-obróbka materiałów.
4. Mikroskopia rentgenowska.
5. Wytwarzanie nanokompozytów cienkowarstwowych.

Powierzchniowa i objętościowa mikroobróbka interferencyjna materiałów wykorzystuje tworzenie obrazów interferencyjnych poprzez naświetlenie próbki polem interferencji impulsowego lasera dużej mocy w jednym procesie technologicznym. W tej technologii nie jest wymagane stosowanie warstw fotoczułych i trawienia jak w przypadku fotolitografii. Otrzymuje się bezpośrednio jednorodne, programowalne struktury periodyczne o dobrze zdefiniowanym uporządkowaniu dalekiego zasięgu. Wstępne badania takiej mikroobróbki zostały wykonane za pomocą posiadanych laserów o energii w impulsie <1 J. W praktyce dla realizacji tej technologii niezbędny jest laser wysokoenergetyczny pracujący z repetycją dla efektywnej obróbki dużych powierzchni, którego zakup jest planowany w ramach projektu OPTOLAB.

W laboratorium prowadzone będą również badania dotyczące zachowania się materiałów poddanych silnym impulsowym obciążeniom. Badania te znajdują praktyczne zastosowanie w projektowaniu pancerzy oraz broni o działaniu kierunkowym (ładunki kumulacyjne i wybuchowo formowane pociski) gdzie kluczowym czynnikiem decydującym o skuteczności ich działania jest znajomość równań stanu materiałów wybuchowych oraz materiałów konstrukcyjnych. Badania parametrów równań stanu zwykle są wykonywane w eksperymentach wysokoenergetycznych zderzeń ciał napędzanych przez działa gazowe lub prochowe. Są to eksperymenty niebezpieczne, drogie i pracochłonne. Fale uderzeniowe dostarczające informacji o parametrach równań stanu można znacznie taniej i bezpieczniej generować za pomocą promieniowania laserowego o energii impulsu rzędu 10 J.

Do badania ciśnienia fal uderzeniowych stosowane są m.in. czujniki PVDF lub czujniki manganinowe. Jednak najbardziej uniwersalną i najczęściej stosowaną metodą badania tych fal jest interferometria, pozwalająca mierzyć zmiany w czasie odkształcenia powierzchni swobodnych napędzanych przez fale uderzeniowe. Interferometr typu VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflector) jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym, pozwalającym rejestrować historię fal obciążenia i odciążenia materiału w szerokim zakresie ciśnień i gęstości. Można także badać przemiany fazowe związane z falami uderzeniowymi. Laboratorium nie posiada dotychczas takiego interferometru. Źródłem promieniowania dla interferometru jest laser jednoczęstotliwościowy. Szybkie fotodiody służą do detekcji sygnałów optycznych interferometru.

W badaniach skutków wysokoenergetycznych zderzeń ciał niezbędne są szybkie kamery pozwalające wizualizować w czasie rzeczywistym przebieg procesu zderzenia. Program badań z zakresu dynamicznych oddziaływań ciał i impulsów laserowych obejmuje zatem wykorzystanie kamer elektronowo-optycznych i dotyczy teoretyczno-ekspe-rymentalnych badań dynamiki oddziaływania ciał w szerokim zakresie prędkości zderzeń od kilkuset do kilku tysięcy m/s oraz oddziaływania z materią wysokoenergetycznych impulsów promieniowania laserowego. Badania podstawowe w tym obszarze mają bezpośredni związek z pracami konstrukcyjno-wdrożeniowymi nad ładunkami kumulacyjnymi, ładunkami zdalnego rażenia, nowymi typami pancerzy wielowarstwowych (kompozytowych) oraz osłonami szklanymi i ceramicznymi poddawanymi uderzeniom pocisków lub impulsów laserowych.

Możliwości nowych technologii laserowych są bardzo szerokie. Za pomocą impulsowego promieniowania laserowego można prowadzić cieplną obróbkę warstwy wierzchniej metali, nano- i mikro-wiercenie, azotowanie, nawęglanie, naborowywanie, barwienie, rozwijanie powierzchni, wytwarzanie proszków i gąbki metalicznej oraz tworzenie intermetali. Można również prowadzić obróbkę plastyczną na zimno za pomocą laserowo generowanej fali uderzeniowej (tzw. laserowe umacnianie udarowe).

Zakupiona aparatura (szybkie kamery, interferometr VISAR z laserem jednoczęstotliwościowym oraz robot przemysłowy) zostanie wykorzystana do badania i opracowania podstaw technologii różnych metod obróbki warstw wierzchnich metali i stopów metali za pomocą impulsowego promieniowania laserowego dużej mocy na potrzeby krajowego przemysłu lotniczego, samochodowego i zbrojeniowego. Między innymi aparatura pomiarowa zostanie wykorzystana do wizualizacji procesu oddziaływania promieniowania laserowego z materią, co pozwoli zwiększyć wydajność procesu obróbki. Posłuży ona także do wyjaśnienia roli warstwy ochronnej i inercyjnej w procesie laserowego umacniania udarowego oraz umożliwi dobór parametrów optycznych, mechanicznych i termo¬dynamicznych obydwu warstw, zapewniających wytworzenie przez impuls laserowy fali uderzeniowej o wysokiej amplitudzie i długim czasie oddziaływania. Profil ciśnienia wytwarzanej fali uderzeniowej będzie rejestrowany za pomocą piezoelektrycznych czujników ciśnienia typu PVDF. W trakcie realizacji projektu zostanie zbudowane i uruchomione stanowisko pomiarowe wykorzystujące te czujniki do diagnostyki fal uderzeniowych.

Niezbędny jest również zakup kamer elektronowo-optycznych umożliwiających między innymi wykonywanie filmowych przebiegów badanych zjawisk, a nie tylko pojedynczych fotografii kadrowych, w tym kamery elektronowo-optycznej o krótszym czasie ekspozycji (poniżej 0,2 ns ). Kamera ta będzie szczególnie przydatna do badania zjawisk oddziaływania krótkotrwałych impulsów promieniowania laserowego z materią. Laboratorium nie posiada kamer tego rodzaju.
Badania eksperymentalne zjawisk dynamicznych z wykorzystaniem kamer elektro-nowo-optycznych sprowadzają się głównie do rejestracji fotograficznej deformujących się w czasie kształtów pocisków i tarcz. W szczególności można fotografować kadrowo deformującą się tylną powierzchnię tarczy lub rozwój magistral pęknięć w ciałach kruchych. Fotografie takie są następnie konfrontowane z wynikami symulacji komputerowych celem ustalenia danych materiałowych dla interesujących materiałów i uzyskania pełnej zgodności wyników teoretycznych z eksperymentalnymi. Uzyskanie takiej zgodności jest celem nadrzędnym tych badań, gdyż umożliwia ono w dalszej kolejności zastępowanie drogich i niebezpiecznych badań poligonowych seriami eksperymentów komputerowych. Dysponując takimi zweryfikowanymi modelami można z dużą pewnością dla zbadanych materiałów budować nowe konstrukcje np. ładunków kumulacyjnych, osłon lub pancerzy oraz optymalizować w ramach symulacji komputerowych parametry tych konstrukcji.

Posiadane lasery małej mocy umożliwiają wykonywanie takich procesów jak czyszczenie laserowe oraz badania spektroskopowe, jednak do wzbudzania fal uderzeniowych umożliwiających obróbkę warstwy wierzchniej metali niezbędny jest zakup lasera o energii impulsu rzędu 10 J i częstości repetycji 10 Hz.

Poza bezpośrednim oddziaływaniem impulsów laserowych z materią w Laboratorium Oddziaływania Promieniowania Laserowego z Materią prowadzone będą badania dotyczące wykorzystania impulsów promieniowania krótkofalowego z zakresu skrajnego nadfioletu (EUV) i miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SXR) w technikach pomiarowych oraz technologii materiałów. Mechanizm oddziaływania w tym przypadku jest odmienny niż w przypadku bezpośredniego naświetlania promieniowaniem laserowym, ze względu na 100-1000 razy większą energię fotonów. W tym przypadku pojedynczy foton wywołuje szereg zjawisk fizycznych prowadzących min. do zrywania wiązań chemicznych, wzrostu temperatury, emisji fotoelektronów, elektronów Auger’a, fluorescencji. Zjawiska te wykorzystywane są zarówno w różnych metodach pomiarowych własności materiałów jak i szeroko rozumianej inżynierii materiałowej.

Badania tego typu są prowadzone w Laboratorium z wykorzystaniem laserowo plazmowego źródła promieniowania EUV zaprojektowanego i zbudowanego w Instytucie Optoelektroniki w wyniku realizacji projektu badawczego w ramach programu MEDEA+ project T 405 - “EUV source development” WP 4.2 “Sources for metrology” finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Informatyzacji (projekt Nr 217/E-284/SPUB-M). W źródle tym zastosowano dwustrumieniową tarczę gazową, na której ogniskowana jest wiązka laserowa o energii 0,5 J w impulsie o czasie trwania 4 ns i częstości 10 Hz. Jest to źródło „czyste”, w przeciwieństwie do źródeł laserowo plazmowych wykorzystujących tarczę stałą, gdzie materiał tarczy w wyniku oddziaływania z impulsem laserowym osadza się na wszystkich elementach umieszczonych wewnątrz komory próżniowej. Posiadane obecnie lasery nanosekundowe o energii 0,8 J umożliwiają efektywną konwersję energii impulsu na zakres skrajnego nadfioletu o długości fali 10 – 70 nm. Promieniowanie to jest ogniskowane i wykorzystywane do mikroobróbki polimerów poprzez ich bezpośrednie trawienie oraz do modyfikacji powierzchni polimerów poprzez naświetlanie promieniowaniem o intensywności bliskiej progowi ablacji. Fototrawienie materiałów wymaga impulsów promieniowania o odpowiednio wysokiej intensywności tak aby możliwe było przekroczenie progu ablacji. Spełnienie tego warunku w przypadku posiadanych układów jest możliwe dla kilku rodzajów polimerów: PTFE, FEP, PMMA.

W przypadku innych polimerów, a zwłaszcza materiałów nieorganicznych, fluencja promieniowania jest zbyt niska i umożliwia co najwyżej modyfikację powierzchni. Zwiększenie fluencji jest możliwe jedynie poprzez użycie lasera o większej energii w impulsie. Wzrost fluencji o rząd wielkości umożliwiłby mikroobróbkę dowolnego materiału. Ponadto towarzyszący temu wzrost gęstości mocy promieniowania laserowego umożliwia uzyskanie promieniowania o krótszej długości fali, co jest bardzo istotne przy wytwarzaniu mikro- oraz nanostruktur gdyż silnie ogranicza efekty dyfrakcyjne.

Jeśli chodzi o modyfikację powierzchni to posiadane układy umożliwiają modyfikację polimerów oraz niektórych związków chemicznych. Oddziaływanie z większością kryształów nieorganicznych oraz substancji szklistych nie wywołuje jednak żadnych zmian, gdyż nie jest osiągany próg ablacji. Użycie lasera o 10-krotnie większej energii od posiadanego, do wytwarzania plazmy umożliwiłoby osiągnięcie niezbędnych parametrów promieniowania.

Najbardziej perspektywicznym zastosowaniem silnych impulsów miękkiego promieniowania rentgenowskiego jest jednak wytwarzanie nanokompozytów oraz samoorganizujących się nanostruktur cienkowarstwowych. Nanokompozyty to materiały hybrydowe zawierające co najmniej dwie fazy z których co najmniej jedna ma wymiary nanometrowe. Mogą to być materiały gdzie np. w polimerowej osnowie są równomiernie rozmieszczone cząstki napełniacza, przy czym przynajmniej jeden z wymiarów tych cząstek ma wymiary nanometrowe. Interesujące są zwłaszcza materiały, w których nanonapełniaczem są fulereny. Prowadzone są prace nad mieszaninami metali z fulerenami bądź układami wielowarstwowymi, które mają odmienne własności niż czyste składniki użyte do ich wytworzenia. Dodatkowe traktowanie takich materiałów promieniowaniem laserowym, plazmą czy wiązkami jonów prowadzi do samoorganizacji w skali nanometrowej. Powstają nanostruktury o wysokim stopniu złożoności, struktury periodyczne w postaci siatek liniowych oraz dwuwymiarowych w formie otworów, ostrzy, słupków itp. Naturalne jest wykorzystanie do tego celu impulsów promieniowania o długości fali rzędu kilku do kilkudziesięciu nanometrów, przy czym wymagana jest tutaj odpowiednio wysoka gęstość mocy i energii w pojedynczym impulsie.

Posiadane lasery nie dają możliwości uzyskania odpowiednio wysokich parametrów w impulsach EUV oraz SXR. W ramach dotychczasowych badań uzyskano jedynie samoorganizację w czystych materiałach polimerowych. Przewidywane są dalsze badania dotyczące samoorganizujących się struktur w nanokompozytach polimerowych. Będzie to prawdopodobnie możliwe przy wykorzystaniu posiadanej aparatury. W przypadku nanokompozytów zawierających metale oraz fulereny gęstość energii wymagana do wytworzenia warunków ich samoorganizacji jest jednakże wielokrotnie wyższa niż w przypadku polimerów. Ponadto w przypadku struktur wielowarstwowych promieniowanie powinno wnikać na głębokość rzędu kilkudziesięciu nanometrów co w przypadku metali wymaga promieniowania o większej energii kwantów niż można uzyskać w posiadanych układach. Uzyskanie większych energii promieniowania EUV oraz SXR w impulsie a także przesunięcie maksimum emisji w kierunku krótszych fal wymaga użycia lasera o 10÷20-krotnie wyższej energii w impulsie względem posiadanych laserów Nd:YAG, przy zachowanych pozostałych parametrach.

W laboratorium prowadzone będą również badania związane z mikroskopią w zakresie skrajnego nadfioletu. Zastosowanie mikroskopii w tym zakresie widmowym jest jednak mocno ograniczone. Bardzo interesujący, zwłaszcza dla zastosowań w mikrobiologii jest natomiast zakres długości fal 2,3 – 4,4 nm, tzw. „okno wodne”. Jest to zakres widmowy w którym uzyskuje się wysoki kontrast dla materiałów biologicznych, bez konieczności ich preparowania. Mikroskopy na taki zakres istnieją jedynie przy synchrotronach trzeciej generacji, które zapewniają odpowiednią intensywność promieniowania mono¬chromatycznego. Zbudowanie mikroskopu na bazie źródła laserowo – plazmowego dałoby możliwość wykorzystywania tego typu mikroskopów w pracowniach biologicznych. Ten zakres widmowy jest co prawda osiągalny za pomocą posiadanych laserów, jednakże wydajność konwersji energii jest w tym przypadku bardzo niska. Uzyskanie odpowiednio wysokiej fluencji promieniowania w tym zakresie widmowym wymaga lasera o kilkukrotnie większej energii w impulsie. Laser, którego dotyczy wniosek zapewnia takie parametry.

Prowadzenie badań związanych z wytwarzaniem miękkiego promieniowania rentgenowskiego oraz skrajnego nadfioletu wymaga komory próżniowej z odpowiednim wyposażeniem oraz aparaturą pomiarową. Posiadane stanowiska badawcze związane z laserami o niskiej energii są wykorzystywane do badań prowadzonych obecnie i nie mogą być przeniesione do innego pomieszczenia. Ponadto prowadzenie badań w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego wymaga zastosowania innej optyki, niż jest stosowana na zakres EUV oraz innych przyrządów pomiarowych. W praktyce więc rozszerzenie dotychczas prowadzonych badań w kierunku wykorzystania promieniowania o mniejszej długości fali wymaga zbudowania nowego stanowiska badawczego składającego się z dedykowanej komory próżniowej z układem pomp próżniowych wyposażonej w układ optyki rentgenowskiej. Stąd wynika również konieczność zakupu nowego spektrografu na zakres widmowy EUV-SXR.

W dotychczasowych badaniach wykorzystywano spektrograf z siatką odbiciową na zakres długości fal 5÷20 nm. Rozszerzenie badań wymaga zapewnienia możliwości pomiarowych w znacznie większym zakresie widmowym 1÷100 nm. Pomiary widmowe w tak szerokim zakresie widmowym wymagają zastosowania co najmniej 2 a najlepiej 3 różnych siatek dyfrakcyjnych typu „flat field”. Koszt pojedynczej siatki może przekraczać 100000 PLN, co wraz z niezbędną kamerą z detektorem CCD typu „back-illuminated” decyduje o wysokim koszcie spektrografu.

Niezbędne jest też rozszerzenie możliwości posiadanych przyrządów pomiarowych do badania wytwarzanych nanostruktur. Oznacza to wyposażenie posiadanego mikroskopu elektronowego w system mikroanalizy rentgenowskiej oraz działo jonowe, co wymaga też wymiany posiadanej komory mikroskopu. System mikroanalizy rentgenowskiej umożliwi badanie rozkładu materiału w nanokompozytach po naświetlaniu promieniowaniem wysokoenergetycznym.
Działo jonowe jest niezbędne do wykonywania przekrojów wytwarzanych nanostruktur, tak aby możliwe było zbadanie struktur powstających wewnątrz układów wielowarstwowych w wyniku procesu samoorganizacji. Pozwala też na wytwarzanie masek do mikro- i nanoobróbki polimerów a także elementów optyki fresnelowskiej do mikroskopii rentgenowskiej.


Wybrana aparatura losowo

OptiTrackS250e.jpg
Optolab
2012 Optolab - projekt POIG nr WND-POIG.02.01.00-14-095/09 - Laboratorium Oddziaływania Promieniowania Laserowego z Materią. Copyright - Jacek Kwiatkowski
Powered by Joomla 1.7 Templates