Исследование импульсной лазерной абляции органических полимеров в ИК диапазоне длин волн на примере полиметилметакрилата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Захаров, Лев Александрович

• Захаров, Лев Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Захаров, Лев Александрович

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Краткая история лазерной абляции и области ее приложений

1.2 Лазерная абляция полимеров

1.3 Существующие модели импульсной лазерной абляции полимеров

Глава 2. Поверхностная фототермическая модель импульсной лазерной абляции полимеров в ИК диапазоне длин волн

2.1 Постановка задачи

2.2. . Основные положения модели

2.3 Скорость фронта абляции

2.4 Объемный источник энергии

2.5 Полиметилметакрилат как объект исследования

2.6 Энергобаланс лазерного излучения при лазерной абляции ПММА

2.7 Численная схема

Глава 3. Абляция ПММА излучением лазера на свободных электронах

3.1 Особенности режимов излучения ЛСЭ

3.2 Замена импульсного режима постоянным источником лазерного излучения

3.3 Результаты моделирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование импульсной лазерной абляции органических полимеров в ИК диапазоне длин волн на примере полиметилметакрилата»

Импульсная лазерная абляция в последние годы привлекает большой интерес с точки зрения исследований фундаментальных процессов в веществе в экстремальных условиях сверхбыстрого подвода энергии. С момента первых экспериментов по лазерной абляции полимеров теоретические и экспериментальные исследования воздействия лазерного излучения на полимерные материалы стали важной и быстро развивающейся областью микро- и нанотехнологий. Важным достоинством импульсной лазерной обработки материалов являются бесконтактность метода и возможность достижения высокой чистоты обрабатываемой поверхности. Взаимодействие лазерного излучения с полимерами является сложным многофакторным процессом, характеризующимся такими особенностями как химическая деградация материала, сложный спектр поглощения, возможность избирательного разрыва связей в полимерной цепи при одних режимах воздействия или же нерезонансное поглощение и тепловая деградация при других, возможность протекания сложных химических реакций взаимодействия продуктов абляции между собой и с окружающей атмосферой, эффекты экранирования падающего излучения. Эти особенности приводят к реализации принципиально новых эффектов при абляции, которые представляют самостоятельный фундаментальный интерес. В настоящее время импульсная лазерная абляция полимерных материалов (ИЛА ПМ) изучена далеко недостаточно. Разработан ряд моделей ИЛА ПМ, которые можно разделить на 3 класса: 1) фотохимические, 2) фототермические и 3) комбинированные, включающие особенности первых двух классов. Ключевая проблема моделирования заключается в сложности структуры полимерных материалов и в их огромном разнообразии, что обуславливает применимость тех или иных приближений и необходимость доработки существующих модельных представлений. Теоретические же модели процессов, происходящих в облаке продуктов абляции при их взаимодействии с газовой средой, находятся на стадии разработки, однако они исключительно важны для определения общих закономерностей процесса ИЛА ПМ и поиска новых эффективных режимов лазерной обработки полимеров. Таким образом, актуальность изучения механизмов и динамики лазерной абляции полимеров определяется как потребностями фундаментальных исследований поведения сложных полимерных соединений в условиях быстрого ввода энергии, так и многочисленными важными практическими приложениями.

Целью работы является разработка моделей и численное исследование динамики процессов, протекающих при взаимодействии нано- и микросекундных импульсов лазерного излучения инфракрасного диапазона длин волн с органическими полимерами на примере полиметилметакрилата (ПММА), являющегося одним из наиболее широко используемых материалов в технологиях лазерной обработки. Для достижения данной цели решаются следующие задачи: моделирование процессов, происходящих при тепловом режиме абляции под действием импульсов лазера на свободных электронах (ЛСЭ) с длиной волны 150 мкм и СОг-лазеров на длинах волн 9,17 и 10,6 мкм в режимах, характерных для лазерной обработки полимеров; исследование особенностей динамики абляции образцов ПММА при* варьировании условий эксперимента (влияние начальной температуры образца, широкий диапазон интенсивности излучения); расчет энергобаланса падающего излучения; изучение эффектов возникновения плазмы и плазменного экранирования при абляции в кислородсодержащей атмосфере.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения1 и списка литературы. В Приложении для удобства ознакомления с материалами приведены списки обозначений и сокращений.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Захаров, Лев Александрович

7.1 Основные результаты диссертационной работы

1. Разработана фототермическая модель абляции органических полимеров лазерным излучением ИК диапазона длин волн. На основе модели изучены особенности абляции органических полимеров (на примере полиметилметакрилата) импульсами С02-лазера (для длин волн 9,17 и 10,6 мкм) и ЛСЭ (150 мкм). Исследовано влияние начальной температуры образцов ПММА на процесс абляции и эволюцию параметров материала (распределений температуры в образце, скорости и глубины абляции). Показано, что абляция полиметилметакрилата продолжается вплоть до времен порядка 0,1 с, значительно превышающих время действия излучения (~1,5 мкс).

2. Впервые выполнен анализ энергобаланса лазерного излучения при лазерной абляции полимерного материала, включая затраты на возбуждение колебательных степеней свободы испаренных молекул. Установлено, что основная доля энергии излучения расходуется на нагрев мишени. Показана возможность полимеризации в кластерах ММА при конденсации паров ММАв потоке. Объяснен механизм возникновения двухпикового распределения наночастиц в продуктах абляции ПММА импульсами СОг-лазера.

3. Разработаны граничные условия на испаряемой поверхности для газодинамической задачи течения в лазерном факеле продуктов ПММА. Данные фототермической модели использованы для описания течения в парах ММА в атмосфере азота.

4. Проведен сравнительный анализ лазерной абляции органических полимеров (на примере ПММА) и металлов (на примере меди), выявлены основные различия и характерные особенности. Показано, что процесс абляции полимеров происходит длительное время после окончания лазерного импульса, тогда как испарение металлов следует форме импульса. В случае абляции металлов выявлено, что начальная температура образца слабо влияет на глубину абляции, но приводит к существенным изменениям глубины расплавленной области и времени существования жидкой фазы.

5. Разработана фотохимическая модель формирования плазмы ММА в присутствии кислорода в фоновом газе, и проведено моделирование абляции ПММА под действием СОг-лазера с учетом экранирования излучения для экспериментальных условий. Выделены три основных фактора ослабления лазерного излучения при абляции органических полимеров в воздухе: пробой воздуха, поглощение на колебательных степенях свободы молекул пара, горение паров полимера.

6. Выявлен и объяснен эффект формирования плазменной трубы при импульсной лазерной абляции органических полимеров в воздухе.

7.2 Практическая ценность

Полученные результаты могут быть использованы для объяснения ряда явлений, наблюдаемых при нано- и микросекундной лазерной абляции органических полимеров, более глубокого понимания процессов, происходящих при сверхбыстром нагреве веществ, оптимизации технологий структурирования поверхности полимерных мишеней , напыления полимерных пленок и покрытий и генерации наночастиц. Результаты работы использованы для выполнения газодинамического моделирования расширения продуктов лазерной абляции ПММА в фоновом газе [104].

7.3 Список работ по теме диссертации

Результаты представленной работы на различных этапах исполнения были представлены на конференциях различного уровня и опубликованы в сборниках тезисов соответствующих конференций:

1. Л. А. Захаров, Разработка теплофизической модели для описания абляции полимеров лазерным излучением в ИК диапазоне длин волн // Сборник тезисов 11л ВНКСФ -Екатеринбург-2005. - С. 649-650.

2. Л. А. Захаров, Теплофизическая модель абляции полимеров излучением в ИК-диапазоне длин волн II Сборник тезисов ХЫН МНСК -Новосибирск - 2005. - С. 37.

3. Л. А. Захаров, Thermal analysis of polymethyl methacrylate ablation by pulsed IR lasers / JI. А. Захаров, H. M. Булгакова, А. А. Онищук, A. M. Бакланов, А. К. Петров // International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers» -Томск - 2005. — С. 72.

4. H. M. Булгакова, Thermal and gasdynamic analysis of ablation of polymethil methacrylate by pulsed IR laser under conditions of nanoparticle formation / H. M. Булгакова, JT. А. Захаров, А. А. Онищук, A. M. Бакланов // 8th International Conference on Laser Ablation "COLA'05"- Banff, Canada - 2005. - P. 72.

5. Л. А. Захаров, Исследование динамики импульсной лазерной абляции полиметилметакрилата в ИК диапазоне длин волн: коэффициент поглощения, баланс энергии, многоимпулъсные режимы И Сборник тезисов 12th ВНКСФ - Новосибирк -2006.-С. 716-717.

6. Л. А. Захаров, Исследование динамики импульсной лазерной абляции полиметшметакрилата в ИК диапазоне длин волн: коэффициент поглощения, баланс энергии, многоимпульсные реэюимы II Сборник тезисов XLIV МНСК - Новосибирск -2006.-С. 36.

7. Л. А. Захаров, Исследование динамики импульсной лазерной абляции полиметилметакрилата в ИК диапазоне длин волн баланс энергии, многоимпулъсные режимы II IX Всероссийская научная школа-конференция "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Тезисы докладов — Новосибирск -2006. - С. 47.

8. Л. А. Захаров, Лазерная абляция полиметилметакрилата в ИК-диапазоне длин волн: Аррениусовская зависимость для константы скорости, колебательная энергия продуктов абляции // Сборник тезисов XLV МНСК — Новосибирск - 2007. — С. 26.

9. Л. А. Захаров, Лазерная абляция полиметилметакрилата в режимах газофазного синтеза наночастщ и напыления пленок//Сборник тезисов 13th ВНКСФ -Новосибирск - 2007. - С. 500.

10. Л. А. Захаров, Динамика образования плазмы при импульсной лазерной абляции металлов и полимеров II X Всероссийская научная школа-конференция "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Тезисы докладов -Новосибирск - 2008. - С.76-77

11. Zakharov L. A, Dynamics of COr-laser ablation of poly(methyl methacrylate): A combined experimental and theoretical study / Zakharov L. A., Bulgakova N. M, Onischuk A. A //

School on "Laser - Surface Interactions for New Materials Production. Tailoring Structure and Properties" - Venice - 2008

12. Shulepov M. A., Action of pulsing IR laser radiation on poly(methyl methacry-late) at various pressures / Shulepov M. A., Bulgakova N. M., Zakharov L. A., Panchenko A. N // IX Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" - Tomsk - 2009. - P. 73.

13. Zakharov L. A., Laser plasma ofpoly(methyl methacrylate) in air: Modeling and experiment / Zakharov L. A., Shulepov M. A., Bulgakova N. M // IX Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" - Tomsk - 2009. - P. 100-111.

14. JT. А. Захаров, Модель формирования плазмы при импульсной лазерной абляции полгшетилметакршата / Л. А. Захаров, Н. М. Булгакова, М. А. Шулепов// III Всероссийская конф. «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» - Новосибирск - 2009. - С. 67-68.

15. Л.А.Захаров, Модель образования плазмы в процессе импульсной лазерной абляции полиметилметакрилата / Л. А. Захаров, М. А. Шулепов // Сборник тезисов, XLVII МНСК -Новосибирск - 2009. - С. 246.

Имеются публикации в сборниках трудов по каждой конференции.

Результаты данной работы опубликованы в следующих статьях:

1. L. A. Zakharov, N. М Bulgakova, A. A. Onischuk, А. М. Baklanov, А. К. Petrov, Thermal analysis of polymethyl methacrylate ablation by pulsed IR lasers II Proc. SPIE Vol. - 2006. - Vol. 6263. - Paper 62630S (10стр.).

2. N. M. Bulgakova, L. A. Zakharov, A. A. Onischuk, V. G. Kiselev, A. M. Baklanov, Thermal and gasdynamic analysis of ablation of poly(methyl methacrylate) by pulsed IR laser irradiation under conditions of nanoparticle formation II J. Phys. D: Appl. Phys. -2009. - Vol. 42 - Paper 065504 (16стр.).

3. Л. А. Захаров, H. M. Булгакова, Численное моделирование лазерной абляции металлов и полимеров при воздействии импульсами инфракрасного излучения: влияние начальной температуры образца II Вестник НГ.У Серия: Физика - Том 5 - Выпуск 1 -С 37-47.

4. М.А. Shulepov, N.M. Bulgakova, L.A. Zakharov, A.N. Panchenko, A.E. Tel'minov, C02 Laser Ablation of Poly (Methyl Methacrylate) and Polyimid: Experiment and Theory II Proc.

10th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Томск, 19-24 сентября 2010 г. - С. 132-135. 5. М.А. Shulepov, N.M. Bulgakova, L.A. Zakharov, A.N. Panchenko, A.E. Tel'minov, C02 Laser Ablation of Poly (Methyl Methacrylate) and Polyimide: Experiment and Theory II Proc. SPIE. - 2010. - Vol. 7751. — Paper 77511L. — (10 стр.).

7.4 Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Булгаковой Надежде Михайловне за постановку задачи, чуткое руководство, ценные указания и помощь в разрешении ряда сложных рабочих моментов. Также автор благодарит Онищука А. А., Шулепова М. А. и Панченко А. Н. за предоставленные экспериментальные данные по лазерной абляции полимеров, Киселева В. Г. и Палецкого А. А. за плодотворное сотрудничество и идеи, возникшие в процессах обсуждения работы. Отдельная благодарность фонду некоммерческих программ "Династия" и мэрии г. Новосибирска за оказанную финансовую поддержку в проведении данной исследовательской работы.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Захаров, Лев Александрович, 2010 год

1. Maiman T.H. Stimulated optical radiation in ruby / T.H. Maiman // Nature. — 1960. — Vol. 187. —P. 493-434.

2. Kim H. Characteristics of a Ni-like silver x-ray laser pumped by a single profiled laser pulse / II. Kim, C. Kim C. and I. Choi // J. Opt. Soc. Am. B. — 2008. — Vol. 25. — P. B76-B84.

3. Steffen H. Resonator interferometry of pulsed submillimeter-wave lasers / H. Steffen and F.K. Kneubuhl // IEEE J. Quant. Electron. — 1968. — Vol. 4. — P. 992 1008.

4. Hentschel M. Attosecond metrology / M. Hentschel, R. Kienberger, C. Spielmann, G.A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz // Nature. — 2001, —Vol.414. —P. 509-513.

5. Drescher M. X-ray pulses approaching the attosecond frontier / M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger, G. Tempea, C. Spielmann, G.A. Reider, P.B. Corkum, F. Krausz // Science. —■ 2001. — Vol. 291. —P. 1923-1927.

6. Honig R.E. Laser-induced emission of electrons, ions, and neutral atoms from solid surfaces / R.E. Honig and J.R. Woolston // Appl Phys Lett. — 1963. — Vol. 2. — P. 138-139.

7. Murray J.J. Photoelectric effect induced by high-intensity laser light beam from quartz and borosilicate glass / J.J. Murray // Bull. Am. Phys. Soc. — 1963. — Vol. 8. — P. 77.

8. Howe J.A. Observations of matter-induced graphite jet / J.A. Howe // J Chem Phys. — 1963. —Vol.39. —P. 1362-1363.

9. Rosan R.C. Spectroscopic ultramicroanalysis with a laser / R.C. Rosan, M.K. Healy and W.F. McNary // Science. — 1963. — Vol. 142. — P. 236-237.

10. Berkowitz J. Mass spectrometric study of vapor ejected from graphite + other solids by focused laser beams / J. Berkowitz and W.A. Chupka// J. Chem. Phys. — 1964. — Vol. 40. — P. 2735-2736.

11. Kawamura Y. Effective deep ultraviolet photoetching of poly(methyl methacrylate) by an excimer laser / Y. Kawamura, K. Toyoda and S. Namba // Appl. Phys. Lett. — 1982. — Vol. 40. — P. 374-375.

12. Srinivasan R. Self-developing photoetching of poly(ethylene-terephthhalate) films by far ultraviolet excimer laser-radiation / R. Srinivasan and V. Mayne-Banton // Appl Phys Lett. — 1982. — Vol. 41. — P. 576-578.

13. Patel R.S. Laser processes for multichip module's high-density multilevel thin film packaging / R.S. Patel and T.A. Wassick // Proc. SPIE. — 1997. — Vol. 2991. — P. 217-223.

14. Aoki H. US Patent 5736999, issued 04/1998.

15. Зайцев-Зотов C.B. Martynyuk A. and Protasov N. Сверхпроводимость пленок BaPbi. xBix03, полученных методом лазерного испарения/ C.B. Зайцев-Зотов, Р.А. Мартынюк и Е.А. Протасов // Физика Твердого Тела. — 1983 г. — Vol. 25. — С. 100-103.

16. Trokel S.L. Excimer laser surgery of the cornea / S.L. Trokel, R. Srinivasan and B. Braren // Am. J. Ophthalmol. — 1983. — Vol. 96. — P. 710-715.

17. Zenobi R. Ion formation in MALDI mass spectrometry / R. Zenobi and Knochenmuss // Mass Spectrom Rev. — 1998. — Vol. 17. — P. 337-366.

18. Soltzberg L.J. / Small molecule matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry using a polymer matrix / L.J. Soltzberg and P. Patel // Rapid Commun. Mass Spectrom. —2004 r. —Vol. 18. —P. 1455-1458.

19. Dyer P.E. Development and origin of conical structures on XeCl laser ablated polyimide / P.E. Dyer, S.D. Jenkins and J. Sidhu // Appl. Phys. Lett. — 1986. — Vol. 49. — P. 453-455.

20. Lippert T. Surface-analysis of excimer-Iaser-treated polyethylene-terephthalate by surface-enhanced raman scattering and X-ray photoelectro-spectroscopy / T. Lippert, F. Zimmermann and A. Wokaun // Appl. Spectrosc. — 1993. — Vol. 47. — P. 1931-1942.

21. Lippert T. Irradiation wavelength selective surface modification of a triazeno polymer / T. Lippert, T. Nakamura, H. Niino, A. Yabe // Macromolecules. — 1996. — Vol. 29. — P. 6301-6309.

22. Jiang W. Pulsed-laser deposition of polytetrafluoroethylene / M. Grant Norton, L. Tsung, J. Thomas Dickinson // J. Mater. Res. — 1995. — Vol. 10. — P. 1038-1043.

23. Chrisey D.B. Laser deposition of polymer and biomaterial films / D.B. Chrisey, A. Pique, R.A. McGill, J.S. Horwitz, B.R. Ringeisen, D.M. Bubb, P.K. Wu // Chem. Rev. — 2003. — Vol. 103, —P. 553-576.

24. Karas M. Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 1000 daltons / M. Karas and F. Hillenkamp // Anal. Chem. — 1988. — Vol. 60. — P. 2299-2301.

25. Knochenmuss R. MALDI ionization: The role of in-plume processes / R. Knochenmuss and R. Zenobi // Chem. Rev. — 2003. — Vol. 103. — P. 441-452.

26. Phipps C.R. Micropropulsion using laser ablation / C.R. Phipps, J.R. Luke, T. Lippert, M. Hauer, A. Wokaun // Appl. Phys. A. — 2004. — Vol. 79. — P. 1385-1389.

27. Laser ablation principles and applications / Ed. J.C. Miller.— Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 1984. — 187 p.

28. Laser ablation and desorption / Eds. J.C. Miller and R.F. Haglund. — San Diego: Academic, 1998, —647 p.

29. Bauerle D. Laser Processing and Chemistry. — Berlin, Heidelberg : Springer, 2000. — 6491. P

30. Zhigilei L.V. Computer simulations of laser ablation of molecular substrates / L.V. Zhigilei, E. Leveugle, B.J. Garrison, Y.G. Yingling, M.I. Zeifman // Chem Rev. — 2003. — Vol. 103. — P. 321-347.

31. Georgiou S. Laser-induced material ejection from model molecular solids and liquids: Mechanisms, implications, and applications / S. Georgiou and A. Koubenakis // Chem Rev. — 2003 r. — Vol. 103. — P. 349-393.

32. Lippert T. Laser Application of Polymers // Adv. Polym Sci. — 2004. — Vol. 168. — P. 51-246.

33. Lippert T. Chemical and spectroscopic aspects of polymer ablation: Special features and novel directions / T. Lippert and J.T. Dickinson // Chem. Rev. — 2003. — Vol. 103. — P. 453-485.

34. Lasers in polymer science and technology: applications.— Boca Raton: CRC, 1990.— Vols. I-1V.

35. Karas M. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass-spectrometry of organic-molecules / M. Karas, D. Bachmann and Hillenkamp F. // Anal. Chem. — 1985. — Vol. 57. — P. 2935-2939.

36. Laser-induced plasmas and applications / Eds. L.J. Radziemski and D.A. Cremers. — New York : Marcel Dekker, 1989. — 445 p.

37. Pulsed laser deposition of thin films / Eds. D.B. Chrisey and G.K. Hubler. — New York: Wiley, 1994.

38. Blanchet G. Prepare fluoropolymer films using laser ablation // Chemtech. — 1996. — Vol. 26, —P. 31-35.

39. Watanabe II. Surface modification of synthetic Fibers by excimer laser irradiation / H. Watanabe and T. Takata // Angew. Makromol. Chem. — 1996. — Vol. 235. — P. 95-110.

40. Bolle M. Large-scale excimer-laser production of submicron periodic structures on polymer surfaces / M. Bolle and S. Lazare // Appl Surf Sci. — 1993. — Vol. 69. — P. 31-37.

41. Dyer P.E. Laser ablation of polymers // Photochemical processing of materials / Eds. I. W. Boyd and R. B. Jackman. — London: Academic, 1992. — P. 360-385

42. Babu S.V. Excimer laser-induced ablation of polyetheretherketone, polyimide, and polythetrafluoroethylene / S.V. Babu, G.C. Dcouto and F.D. Egitto // J. Appl. Phys. — 1992. — Vol. 72. — P. 692-698.

43. Himmelbauer M. Single-shot UV-laser ablation of polyimide with variable pulse lengths / M. Himmelbauer, E. Arenholz and D. Bauerle // Appl. Phys. A. — 1996. — Vol. 63. — P. 87-90.

44. Taylor R. Effect of optical pulse duration on the XeCl laser ablation of polymers and biological tissue / R.S. Taylor, D.L. Singleton and Paraskevopoulos G. // Appl. Phys. Lett. — 1987 r. — Vol. 50. —P. 1779-1781.

45. Lippert T. Polymers for UV and near-IR irradiation / T. Lippert, C. Davis, M. Hauer, A. Wikaun, J. Robert, O. Nuyken, C. Phipps // J. Photochem. Photobiol. A Chem. — 2001. — Vol. 145. —P. 87-92.

46. Kuper S. Threshold behavior in polyimide photoablation Single-shot rate measurements and surface-temperature modeling / S. Kuper, J. Brannon and K. Brannon // Appl. Phys. A. — 1993. — Vol. 56. — P. 43-50.

47. Lazare S. Ultraviolet-laser photoablation of polimers A review and recent results / S. Lazare and V. Granier // Laser Chem. — 1989. — Vol. 10. — P. 25-40.

48. Deutsch T. Self-developing UV photoresist using excimer laser exposure / T. Deutsch and M. Geis // J. Appl. Phys. — 1983. — Vol. 54. — P. 7201-7204.

49. Sutcliffe E. Dynamics of UV laser ablation of organic polymer surfaces / E. Sutcliffe and R. Srinivasan // J Appl Phys. — 1986. — Vol. 60. — P. 3315-3322.

50. Cain S.R. On single-photon ultraviolet ablation of polymeric materials / S.R. Cain, F.C. Burns and C.E. Otis // J Appl Phys. — 1992. — Vol. 71. — P. 4107-4117.

51. D-Couto G.C. Heat-transfer and material removal in pulsed excimer-laser-induced ablation -Pulsewidth dependence / G.C. D-Couto and S.V. Babu // J Appl Phys. — 1994; — Vol. 76. — P. 3052-3058.

52. Luk'yanchuk B. UV-laser ablation of polyimide: From long to ultra-short laser pulses / B. Luk'yanchuk, N. Bityurin,, M. Himmelbauer, N. Arnold // Nucl. Instrum. Met. Phys. Res. B. — 1997. — Vol. 122. — P. 347-355.

53. Arnold N. A fast quantitative modelling of ns laser ablation based on non-stationary averaging technique / N. Arnold., B. Luk'yanchuk and N. Bityurin// Appl. Surf. Sci.— 1998.— Vol. 127. —P. 184-192.

54. Srinivasan V. Excimer laser etching of polymers / V. Srinivasan, M.A. Smrtic and S.V. Babu // Appl. Phys. A. — 1986. — Vol. 59. — P. 3861-3867.

55. Schmidt H. Ultraviolet laser ablation of polymers: spot size, pulse duration, and plume attenuation effects explained / H. Schmidt, J. Ihlemann, B. Wolff-Rottke, K. Luther, J. Troe // J. Appl. Phys. — 1998. — Vol. 83. — P. 5458-5468.

56. Luk'yanchuk B. The role of excited species in UV-laser materials ablation. 1. Photophysical ablation of organic polymers / B. Luk'yanchuk, N. Bityurin, S. Anisimov, D. Bauerle // Appl. Phys. A . — 1993. — Vol. 57. — P. 367-374.

57. Luk'yanchuk B. The role of excited species in ultraviolet-laser materials ablation. Non-stationary ablation of organic polymers / B. Luk'yanchuk, N. Bityurin, S. Anisimov, N. Arnold, D. Bauerle // Appl. Phys. A. — 1996. — Vol. 62. — P. 397-401.

58. Bityurin N.M. Photophysical model of UV laser action: the role of stress transients / N.M. Bityurin, A.Y. Malyshev, B.S. Luk'yanchuk, S.I. Anisimov, D. Bauerle // Proc. SPIE. — 1996. — Vol. 2802. —P. 103-112.

59. Bityurin N. UV etching accompanied by modifications. Surface etching / N. Bityurin // Appl. Surf. Sci. — 1999. — Vol. 138-139. — P. 354-358.

60. Srinivasan R. Ultraviolet-laser ablation of organic polymers / R. Srinivasan and B. Braren // Chem.Rev. — 198, —Vol. 89. —P. 1303-1316.

61. Andrew J.E. Direct etching of polymeric materials using a XeCl laser / J.E. Andrew, P.E. Dyer, D. Forster, P.H. Key // Appl. Phys. Lett. — 1983. — Vol. 43. — P. 717-719.

62. Treyz G.V. Deep ultraviolet laser etching of vias in polyimide films / G.V. Treyz, R. Scarmozzoni and R.M. Osgood // Appl. Phys. Lett. — 1989. — Vol. 55. — P. 346-348.

63. Cain S.R. A photothermal model for polymer ablation Chemical modification / S.R. Cain // J Phys Chem. — 1993. — Vol. 97. — P. 7572-7577.

64. Arnold N. Model for laser-induced thermal degradation and ablation of polymers / N. Arnold and N. Bityurin // Appl. Phys. A. — 1999. — Vol. 68. — P. 615-625.

65. Lazare S. Ultraviolet-laser ablation of polymers Yield and spatial-distribution of products deposition / S. Lazare and V. Granier // Chem. Phys. Lett. — 1990. — Vol. 168. — P. 593-597.

66. Wei J. Novel laser ablation resists for excimer laser ablation lithography. Influence of photochemical properties on ablation / J. Wei, N. Hoogen, T. Lippert, O. Nuyken, A. Wokaun // J. Phys. Chem.B. —2001. —Vol. 105. —P. 1267-1275.

67. Srinivasan R. Ablation of polyimide (Kapton (TM)) films by pulsed (ns) ultraviolet and infrared (9.17 (im) lasers A comparative study / R. Srinivasan // Appl. Phys. A. — 1993. — Vol. 56, —P. 417-423.

68. Fujiwara H. Each dopant can absorb more than 10 photons Transient absorbency measurement at excitation laser wavelength in polymer ablation / H. Fujiwara, T. Hayashi, H. Fukumura and H. Masuhara // Appl. Phys. Lett. — 1994. — Vol. 64. — P. 2451-2453.

69. Zhigilei L.V. Velocity distributions of molecules ejected in laser ablation / L.V. Zhigilei and B.J. Garrison // Appl. Phys. Lett. — 1997. — Vol. 71. — P. 551-553.

70. Zhigilei L. Velocity distributions of analyte molecules in matrix-assisted laser desorption from computer simulations / L.V. Zhigilei and B.J. Garrison // Rapid Commun. Mass Spectrom. — 1998. —Vol. 12. —P. 1273-1277.

71. Zhigilei L.V. Molecular dynamics model for laser ablation and desorption of organic solids / L.V. Zhigilei, P.B.S., Kadali and B.J. Garrison // J. Phys. Chem. — 1997. — Vol. 101. — P. 20282037.

72. Zhigilei L.V. A microscopic view of laser ablation / L.V. Zhigilei, P.B.S., Kadali and B.J. Garrison // J. Phys. Chem. B. — 1998. — Vol. 102. — P. 2845-2853.

73. Zhigilei L.V. Microscopic mechanisms of laser ablation of organic solids in the thermal and stress confinement irradiation regimes / L.V. Zhigilei and В J. Garrison // J. Appl. Phys. — 2000. — Vol. 88. — P. 1281-1298.

74. Zhigilei L.V. Mechanisms of laser ablation from molecular dynamics simulations: dependence on the initial temperature and pulse duration / L.V. Zhigilei and В.J. Garrison // Appl. Phys. A. — 1999. — Vol. 69. — P. S75-S80.

75. Srinivasan R. Ablation of polymetyl methacrylate by pulsed (ns) ultraviolet and infrared (9.17 цт) lasers A comparative study by ultrafast imagine / R. Srinivasan// J. Appl. Phys.— 1993. — Vol. 73. — P. 2743-2750.

76. Hirata T. Thermal and oxidative-degradation of poly(methyl methacrylate) Weight-loss / T. Hirata, T. Kashiwagi and J.E. Brown // Macromolecules. — 1985. — Vol. 18. — P. 1410-1418.

77. Jellinek H.H. Thermal degradation of polymethilmethacrylate Energies of activation / H.H. Jellinek and M.D. Luh // Makromol. Chem. — 1968. — Vol. 115. — P. 89-96.

78. Эмануэль H. и Бучаченко А. Химическая физика молекулярного разрушения и стабилизация полимеров. — Москва : Наука, 1988. — 368 с.

79. Булгаков А. В. Тепловая модель импульсной лазерной абляции в условиях образования и нагрева плазмы, поглощающей излучение / А .В. Булгаков и Н. М. Булгакова // Квантовая электроника. — 1999. — Т. 27. — С. 154-158.

80. Tokarev V.N. Analytical thermal model of ultraviolet laser ablation with single-photon absorption in the plume / V.N. Tokarev, J.G. Lunney, W. Marine and M. Sentis // J. Appl. Phys. — 1995. — Vol. 78. — P. 1241-1246.

81. Kashiwagi T. Experimental observation of radiative ignition mechanisms / T. Kashivagi // Combust. Flame. — 1979. — Vol. 34. — P. 231-244.

82. Захаров JI. А. Численное моделирование абляции полиметилметакрилата импульсным лазерным излучением в ИК-диапазоне длин волн Н Дипломная работа на соискание степени бакалавра. Физика. — Новосибирск: НГУ, 2005 г.

83. Bulgakova N.M. Energy balance of pulsed laser ablation: thermal model revised / N.M. Bulgakova, A.V. Bulgakov and L.P. Babich // Appl. Phys. A. — 2004. — Vol. 79. — P. 1323-1326.

84. Bityurin N. Models for laser ablation of polymers / N. Bityurin, B.S. Luk'yanchuk, M.H. Hong, T.C. Chong // Chem. Rev. — 2003. — Vol. 103. — P. 519-552.

85. Dyer P.E. СОг-laser ablative etching of polyethylene terephthalate / P.E. Dyer, G.A. Oldershaw G. and J. Sidhu // Appl. Phys. B. — 1989. — Vol. 48. — P. 489-493.

86. Esfahani J.A. One-dimensional numerical model for degradation and combustion of polymethyl methacrylate / J.A. Esfahani and A. Kashani // Heat Mass Transfer. — 2006. — Vol. 42. — P. 569-576.

87. Esfahani J. Numerical Studies of the Ignition Process of Charring and Non-Charring Solid Materials // PhD Thesis. — Department of Mechanical Engineering, University of New Brunswick, Canada, 1998

88. Burkey D.D. Temperature-resolved Fourier transform infrared study of condensation reactions and porogen decomposition in hybrid organosilicon-porogen films / D.D. Burkey and K.K. Gleason // J. Vac. Sci. Technol. A. — 2004. — Vol. 22. —P. 61-70.

89. Nakamura Y. Effects of sample orientation on nonpiloted ignition of thin poly(methyl methacrylate) sheet by a laser 1. Theoretical prediction / Y. Nakamura and T. Kashiwagi // Combust. Flame. — 2005. — Vol. 141. —P. 149-169.

90. Jellinek H. Degradation of Vinyl Polymers. — New York : Academic Press, 1955.

91. Burns F.C. The effect of pulse repetition rate on laser ablation of polyimide and polymethylmethacrylate-based polymers / F.C. Burns and S.R. Cain // J. Phys. D: Appl. Phys. — 1996. — Vol. 29. — P. 1349-1355.

92. Федирко T.A. Изучение механизма образования нано частиц при СОг-лазерной абляции// Дипломная работа на соискание степени магистра. Физика. — Новосибирск: НГПУ, 2004 г.

93. Шулепов М. A. and Панченко А. Н., частное сообщение.

94. Nikolov I.D. Optical plastic refractive measurements in the visible and the near-infrared regions / I.D. Nikolov and C.D. Ivanov // Appl. Opt. — 2000. — Vol. 39. — P. 2067-2070.

95. Frisch M.J., Trucks, G W., Schlegel, H B. et al. Gaussian 03. Revision C.02. — Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.

96. Papantonakis M.R. Picosecond pulsed laser deposition at high vibrational excitation density: the case of poly(tetrafluoroethylene) / M. R. Papantonakis and R. F. Haglund Jr. // Appl. Phys. A . — 2004. — Vol. 78. — P. 1687-1694.

97. Bulgakov A.V. Dynamics of laser-induced plume expansion into an ambient gas during film deposition / A. V. Bulgakov and N. M. Bulgakova // J. Phys. D: Appl. Phys. — 1995. — Vol. 28, —P. 1710-1718.

98. Годунов С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. — М.: Наука, 1977.-456 С.

99. Кузьмин А. В. Расчет параметров ЛСЭ для сибирского центра фотохимии// Дипломная работа на соискание степени бакалавра. Физика. — Новосибирск: НГУ, 2004 г.

100. Мальгин Д. и Волгушкин С., частное сообщение.

101. Stoliarov S.I. A reactive molecular dynamics model of thermal decomposition in polymers: 1. Poly(methyl methacrylate) / S.I. Stoliarov, P.R. Westmoreland, M.R. Nyden, G.P. Forney // Polymer. — 2003. — Vol. 44. — P. 883-894.

102. Bityurin N. Bulk photothermal model for laser ablation of polymers by nanosecond and subpicosecond pulses / N. Bityurin and A. Malyshev // J. Appl. Phys. — 2002. — Vol. 92. — P. 605-613.

103. Ankilow A. Comparison of the Novosibirsk automated diffusion battery with the Vienna electromobility spectrometer / A. Ankilow, A. Baklanov, R. Mavliev, S. Eremenko. G.P. Reischl, A. Majerowicz // J. Aerosol Sci. — 1991. — Vol. 22. — P. S325-S328.

104. Захаров JI. А. Численное исследование динамики нагрева и испарения полиметилметакрилата импульсным лазерным излучением // Дипломная работа на соискание степени магистра. Физика. — Новосибирск: НГУ, 2007 г.

105. Kandare Е. Thermal Stability and Degradation Kinetics of Poly (methyl methacrylate)/Layered Copper Hydroxy Methacrylate Composites / E. Kandare, H. Deng, D. Wang, J.M. Hossenlopp // Polym. Adv. Technol. — 2006. — Vol. 17. — P. 312-319

106. Siew W.O. Shadowgraphy of pulsed CO2 laser ablation of polymers / W. O. Siew, T. Y. Tou and К. H. Wong // Appl. Surf. Sci. — 2005. — Vol. 248. — P. 281-285.

107. Физические величины. Справочник. / Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. — Москва : Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

108. Bogaerts A. Laser ablation for analytical sampling: What can we learn from modeling? / A. Bogaerts, Z. Y. Chen, R. Gijbels, A. Vertes // Spectrochem. Acta. Part B. — 2003. — Vol. 58. — P. 1867-1893.

109. Золотарев В., Морозов В. и Смирнова Е. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. — Ленинград: Химия, 1984. — 216 с.

110. Киселев В. Г., частное сообщение.

111. Shulepov M.A. CO2 Laser Ablation of Poly (Methyl Methacrylate) and Polyimide: Experiment and Theory/ M. A. Shulepov, N. M. Bulgakova, L. A. Zakharov, A. N. Panchenko, A. E. Tel'minov// Proc. SPIE. — 2010. — Vol. 7751. — Paper 77511L. — (10 cip.).

112. Budnik A.P. Liquid droplet supercritical explosion in the field of CCh-laser radiation and influence of plasma chemical reactions on initiation of optical breakdown in air / A.P. Budnik and A.G. Popov//Proc. SPIE. — 1990. —Vol. 1440, —P. 135-145.

113. Durfee C.G. Light pipe for high-intensity laser pulses / C.G. Durfee and H.M. Milchberg // Phys. Rev. Lett. — 1992. — Vol. 71. — P. 2409-2412.1. Список обозначений

114. Обозначение Название Размерность

115. Л Предэкспоненциальный множитель см3/(моль-с)ср Теплоёмкость Дж/(кг-К)

116. Теплоемкость газа Дж/(кг-К)

117. Энергия, поглощенная плазмой Дж/м2

118. ЕаС1 Энергия активации Дж/моль

119. Ес Энергия, выделившаяся при горении Дж/м2

120. Е\ Излученная энергия Дж/м2

121. Е'т Энергия, энергия лазерного импульса, поступившая в мишень к моменту времени Дж/м2

122. Е, Энергия активации процесса горения Дж/моль

123. Ех Энергия на латентное тепло при испарении Дж/м2

124. Ещла Энергия испаренного ММА Дж/м2

125. Ег Отраженная от поверхности энергия Дж/м2

126. Ев Энергия, уносимая с поверхности при испарении Дж/м2

127. Ег-г Энергия поступ. движения и вращения Дж/м2

128. Е^ Энергия на нагрев Дж/м2

129. Еч Энергия колебательного возбуждения ММА Дж/м2

130. Плотность энергии в импульсе Дж/м2

131. ДО Интерсивность падающего излучения в момент / 1/скв Постоянная Больцмана Дж/Кь Скрытая теплота сублимации Дж/кгм Масса мономера кг1. N Коэффициент преломления пог Концентрация кислорода 1/м3

132. N Число узлов в сетке разностной схемы1. Рь Давление кипения Па

133. Р* Давление насыщенного пара Па0с Тепловыделение реакции горения Дж/моль1. Л Коэффициент отражения

134. Универсальная газовая постоянная Дж/(моль-К)

135. Объемный источник энергии Дж/(с-м3)т Время сек

136. То Начальная температура образца К1. Ть Температура кипения Ктт Температура плавления Кшах Максимальная температура в образце К

137. Температура поверхности образца к

138. Т\Щ> Температура испарения к

139. Т^ь Температура колебательной моды кщ2) Температура в момент времени / в точке г киаы(0 Скорость абляцци (фронта испарения) м/с

140. Скорость реакции горения 1/сг Координата в глубине образца мкм1. Глубина абляции мкма Коэффициент поглощения м-11. А Интервал температур К

141. Л Коэффициент поглощения плазмы1. X Длина волны мкм

142. Си Теплопроводность меди Ватт/(м-К)•РММА Теплопроводность ПММА Ватт/(м-К)1. Р Плотность кг/м3а Постоянная Стефана-Больцмана Ватт/(м2-К4)1. X Характерное время с

143. V Колебательная частота см"1

144. Список используемых сокращений

145. Русскоязычные (кириллические) сокращения:ик Инфракрасный

146. ИЛА ПМ Импульсная Лазерная Абляция Полимерных Материалов

147. ЛСЭ Лазер на свободных электронах1. ММА Метилметакрилат1. ПММА Полиметилметакрилат1. Англоязычные сокращения:1.T Laser Ablation Transfer

148. BS Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

149. PMS Laser-Induced Periodic MicroStructures

150. MALDI Matrix-Assisted LaserDesorption/Ionization

151. PLD Pulsed Laser Deposition

152. РММА Poly Methyl Methacrylate

153. QCM Quartz Crystal Microbalance