Сотрудники Томского политеха, Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН и Института электрофизики УрО РАН разработали диагностический комплекс для визуализации явлений в области взаимодействия лазерного излучения с тугоплавкими оксидами.

Комплекс позволяет с высоким временным разрешением изучать динамику формирования расплава и его последующего испарения. В перспективе это поможет повысить эффективность производства нанопорошков оксидов, которые используются для изготовления оптически однородных элементов.

Исследование проводилось при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Optics & Laser Technology (Q1; IF: 5).

Cегодня набирает популярность метод получения оксидных нанопорошков с помощью мощных технологических лазеров. Он заключается в испарении мишени, спечённой из микропорошка соответствующего оксида или смеси оксидов, и последующей конденсации паров в буферном газе. Полученные таким способом нанопорошки могут применяться для изготовления керамических твёрдых электролитов и активных элементов лазеров.

Визуализация динамических явлений в области взаимодействия лазерного излучения с материалами, в частности, с оксидами — необходимый этап для оптимизации процессов получения материалов, в том числе, наноструктурированных. Существующие методы фиксации процесса имеют ряд недостатков. В частности, негативное влияние фонового излучения. Поэтому создание новых модифицированных методов и систем визуализации, способных подавить собственное свечение лазера, является актуальной задачей.

Учёные Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета совместно и лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН разработали диагностический комплекс для высокоскоростной визуализации. Он представляет собой лазерную оптическую систему на основе малогабаритного усилителя яркости на парах бромида меди, который изготавливается в ИОА СО РАН. Устройство позволяет проводить визуализацию в видимом диапазоне спектра с высокой скоростью съёмки — до 22 тысяч кадров в секунду и высоким пространственным разрешением — до 1 микрометра.

«Усилитель на парах бромида меди дает возможность формировать изображения, усиленные в узком спектральном диапазоне. Для регистрации оптических изображений, формируемых в активной среде усилителя яркости, использовались высокоскоростные камеры. При этом режим съёмки одной из них был синхронизирован по времени с режимом работы в режиме повторения импульсов. А малая длительность импульса усиления позволила снизить искажение формируемых изображений», — рассказывает профессор отделения электронной инженерии Томского политехнического университета, руководитель лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы СО РАН Максим Тригуб.

Созданная установка активной оптической системы прошла апробацию в Институте электрофизики Уральского отделения РАН. В рамках экспериментов специалисты лаборатории квантовой электроники провели скоростную визуализацию динамических явлений в зоне взаимодействия иттербиевого волоконного лазера с образцами оксида титана, оксида железа и других соединений.  Результаты исследований позволили определить ряд важных особенностей динамических явлений в зоне взаимодействия лазерного излучения с мишенью. Например, полностью устраняется экранирующий эффект собственного свечения. Это дает возможность визуализировать испаряющийся материал и крупные капли, образующиеся под действием лазерного импульса, а также увидеть кратер во время воздействия импульса волоконного лазера. А уменьшение негативного влияния фонового излучения позволило получить изображения динамических процессов в лазерном факеле и разбрызгивания капель расплава.

«Апробация разработанного диагностического комплекса и анализ полученных результатов доказывают перспективность применения его визуализирующих возможностей при лазерной абляции — удалении вещества с поверхности лазерным импульсом, при формировании наночастиц и других процессах в условиях мощного фонового света. Кроме того, полученные результаты позволяют расширить фундаментальные знания о природе таких процессов и повысить эффективность производства нанопорошков», — отмечает Максим Тригуб.

На следующем этапе реализации проекта ученые  планируют улучшить тактико-технические характеристики комплекса. В частности, повысить предельную скорость съёмки и срока службы усилителя, а также уменьшить габариты установки.

Источник: ТПУ.