Применение фокусаторов излучения при формировании нанопористых структур твердокристаллических материалов

Использование наноструктурированных материалов в качестве фильтрующих мембран, сорбентов, коагулянтов и катализаторов позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели (тонкость, скорость, эффективность, стоимость фильтрования и др.) очистки жидких и газовых сред. Такие материалы находят применение при утилизации углеводородных загрязнений, фильтрации газов и жидкостей в окружающей среде и медицине, синтезе химических соединений с помощью катализаторов, а также в качестве топливных элементов на основе нанопористых структур [1]. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляют вопросы создания новых методов формирования наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов, как со сквозными порами, так и в поверхностном слое. Для получения таких структур эффективным является применение метода сублимации более легко испаряющегося компонента сплава типа твердый раствор при высокотемпературном нагреве в безокис-лительной среде в сочетании с воздействием лазерным излучением с целенаправленно изменяемым пространственным распределением мощности.

Способы обработки лазерным излучением с высокой эффективностью применяются для придания обрабатываемым материалам требуемых свойств. При реализации прогрессивных процессов лазерной обработки с обеспечением высокого качества изделий применяют различные оптические системы преобразования параметров излучения. В работах [2-4] показана возможность формирования структур материалов с улучшением физико-механических свойств за счет создания требуемого пространственного распределения мощности в плоскости обработки с помощью металлооптических фокусирующих систем на основе фокусаторов излучения, обладающих достаточной лучевой стойкостью и высокой надежностью. Отражающие фокусаторы осуще- ствляют поворот пучка лазерного излучения, его пространственную фазовую модуляцию и перераспределение энергии в различные геометрические фигуры с заданным профилем интенсивности [5, 6].

Целью данной статьи является расчет распределения интенсивности излучения, формируемого фо-кусатором для лазерной обработки, применяемой при реализации разработанного способа синтеза нанопористых структур твердокристаллических материалов.

Расчет распределения интенсивности при формировании излучения с гауссовским и кольцевым распределением плотности потока

В рамках геометрической оптики задача фокуси- ровки лазерного излучения эквивалентна поиску функций отображения области с координатами (U, V) оптического элемента в область с координатами (x, у) плоскости регистрации, которая строит - ся с помощью лучей, соединяющих между собой точки обеих плоскостей. Для моделирования используются уравнение распространения излучения, проводится расчет лучевых траекторий через опти- ческую систему от источника до плоскости регистрации. Чем больше лучей проведено через систему, тем точнее результат моделирования.

Проведен расчет распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости оптического элемента, форма поверхности которого определяется уравнением:

I U 2 ' cos⁶,

Z ^{( U}, V ) = mod m ^/ ( 2 - cos 9 ) 1-- Z----- +

(      2 q

V ²

2 p ■ cos 9

где Z (U, V) - высота рельефа в точке (U, V) опти- ческого элемента; U, V – координаты точки отра- жающего оптического элемента в системе координат с осью OU , направленной противоположно проекции падающего луча и имеющей начало в цен- тре отражающей поверхности;

mod m x/( 2 - cos 9 )^{( h} )

функция равная наименьшему положительному остатку от деления h на m X/(2 ■ cos 9); m - целое число; X - длина волны излучения; 9 - угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости оптического элемента; p и q – параметры; С – высота микрорельефа в центральной точке фокуса-тора. Фотошаблон фокусатора CO2-лазерного излучения с длиной волны X = 10,6^10—6 м, изготовленного в Институте систем обработки изображений РАН на основе аналитической зависимости (1), представлен на рис. 1. Оптический элемент имеет следующие параметры: фокусное расстояние f = 0,835 м, мак- симальный радиус фокусируемого пучка R = 17,5∙10-3 м, угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости фокусатора 9 = 45°.

а

Рис. 1. Фотошаблон (а) и внешний вид (б) фокусатора излучения, выполненного по аналитической зависимости (1) при X =10,6-10"⁶м, f = 0,835 м, R = 17,5-10 - м, 9 =45 °

б

Зная кривизну в каждой точке поверхности, можно определить углы отклонения элементарных лучей при отражении. В данном случае: по координате U происходит расфокусировка излучения, а по координате V – его фокусировка. Каждый элементарный луч в фокальной плоскости ( xOy ) отклоняется от положения ( X , Y ), соответствующего его проекции на фокальную плоскость, и пересекает ее в точке с координатами ( X_F , Y_F ):

X f = X - f ■ tg I 2 ■ arctg I

U ■ cos 9

q

I                    I V

Y F = Y - f ■ tg I 2 ■ cos 9 ■ arctg

I                ( p ■ cos 9

.

При расчетах проводилась дискретизация расчетной области оптического элемента Z ( U , V ) :

b 1 =

- У2 R ( i - 1 ) _; b 2 = У2 R ( i - 1 ) _; b 3 = V2 R 2 i                   2 i                i

где b 1 , b 2 – соответственно нижний и верхний пределы изменения значений U , V ; b 3 – шаг дискретизации; i = 800…1400 – целое число.

Область G падения излучения на оптический элемент разбивалась на малые площади A G , в которых определялась интенсивность излучения. Соблюдая условие AF > A G , где A F - элементарная (малая) площадь плоскости регистрации, после вычисления координат точки падения луча на плоскость регистрации, определялось распределение интенсивности в требуемом сечении отраженного пучка.

Радиус и параметр распределения интенсивности фокусируемого лазерного излучения с гауссовским распределением плотности потока имели значение: R_Ф = 14∙10^-3 м, r_Ф = 12,5∙10^-3 м, где r_Ф – параметр фокусируемого пучка гауссовского распределения плотности излучения, в котором интенсивность на расстоянии r_Ф от центра уменьшается в e раз по сравнению с интенсивностью в центре пучка.

Для повышения интенсивности излучения на краях лазерного пятна целесообразно перенести долю энергии от центра фокусатора на те его слои, которые рассчитаны для работы в условиях экспоненциально малой плотности мощности. Перераспределение энергии к периферии лазерного отрезка может быть достигнуто использованием лазерного излучения с кольцевым распределением плотности потока. При проведении расчетов средний радиус лазерного излучения с кольцевым распределением плотности потока принимался равным R_K =10^-2 м.

Результаты расчета по формулам (2) распределения приведенной к единице мощности интенсивности излучения q вдоль продольной оси светового пятна в фокальной плоскости оптического элемента (1), при формировании излучения с гауссовским и кольцевым распределением плотности потока представлены на рис. 2. При фокусировке таких пучков длина отрезка в фокальной плоскости составляет более (30…40)∙10^-3 м, а приведенная к единице мощности интенсивность излучения q не превышает значения 1,6∙10⁴ м^-2.

Применение лазерного излучения с кольцевым распределением плотности потока при формировании полосовых энергетических источников позволяет выполнить условие неоднородного распределения интенсивности излучения по длине фокального отрезка с максимумом по краям. Воздействие на объекты полосовых движущихся энергетических источников предоставляет возможность обеспечить выравнивание значений максимальных температур в поперечных сечениях зоны термического влияния в ходе термических циклов нагрева и охлаждения, а увеличение плотности мощности лазерного излучения по краям полосы компенсирует повышенный теплоотвод с периферийных участков.

Рис. 2. Распределение приведенной к единице мощности интенсивности излучения q вдоль продольной оси светового пятна в фокальной плоскости оптического элемента при формировании излучения с распределением плотности потока:

• 1    – гауссовским ( R_Ф = 14∙10^-3 м, r_Ф = 12,5∙10^-3 м);

• 2    – кольцевым ( R_K =10^-2 м).

  – результаты расчета; о , • – эксперимент

Для создания более высокой концентрации энергии на поверхности технологических объектов отражающий оптический элемент, выполненный по аналитической зависимости (1), целесообразно использовать в составе двухфокусаторной системы [7]. Это позволяет также устранить такие недостатки, имеющие место при использовании одиночного вращающегося фокусатора, как значительные изменения фокусного расстояния ∆f оптической системы (∆f =(0…0,5) f ) и увеличение размеров свето- вого отрезка при повороте оптического элемента, приводящее к снижению максимальной и средней интенсивности излучения в фокальной плоскости.

Измерение пространственного распределения интенсивности в лазерном пятне проводилось на СО 2 -технологическом комплексе ЛК-1300 “Хебр-1А” стандартным измерителем мощности, перемещающимся в системе координат, перпендикулярной оси луча, и снабженным квадратной диафрагмой площадью 10^-8 м². Мощность лазерного излучения при проведении экспериментальных исслелований составляла Q =500 Вт. Использование оптикоэлектронного сканирующего инфракрасного радиометра (тепловизора) предоставляет возможность автоматизировать процесс регистрации пространственной структуры излучения.

Для снижения уровня оптических сигналов во избежание необратимых изменений чувствительного элемента датчика целесообразно применять ответвитель лазерного излучения. В этом случае ответвленная часть пучка (1% от полной мощности) направляется на зеркала механизмов кадровой и строчной развертки оптического блока тепловизора. Чувствительная площадка пирометрического приемника лазерного излучения располагается в плоскости, оптически сопряженной с анализируемой, и работает в режиме термостабилизации – охлаждается жидким азотом. В аналогово-цифровом преобразователе электрические сигналы с приемника излучения преобразуются в цифровые и через устройства ввода-вывода видеоизображения поступают в персональный компьютер для проведения последующей обработки и анализа.

Применение фокусатора излучения при реализации способа формирования наноразмерных пористых структур

Разработан способ формирования нанопористых структур твердокристаллических материалов путем сублимации атомов компонента сплава с более высокой упругостью пара. Перед нагревом материала в безокислительной среде на участки выбранных форм и размеров осуществляется энергетическое воздействие лазерным излучением. Характерные высокие скорости охлаждения в зоне термического влияния металлических материалов обуславливают большую неоднородность и повышенную дисперсность структуры, увеличение плотности дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Предварительная обработка лазерным излучением позволяет формировать мелкодисперсную структуру материалов, что предоставляет возможность увеличить концентрацию пор и более равномерно распределить их в объеме. При лазерной обработке целесообразно принять схему нагрева непрерывным излучением, сфокусированным в световое пятно в виде неподвижного, установленного перпендикулярно траектории движения, или вращающегося отрезка прямой линии [7]. Для создания требуемого пространственного распределения мощности воздействующего потока лазерного излучения используется фокусатор излучения, выполненный по аналитической зависимости (1).

Проведены экспериментальные исследования влияния высокотемпературного нагрева в безокис-лительной среде на структуру и свойства поверхностного и приповерхностного (глубиной до 10…20 мкм) слоев сплавов типа твердых растворов. Установлено, что такая обработка приводит к уменьшению предела упругости материалов вследствие накопления дефектов в кристаллическом строении за счет сублимации более легко испаряющегося компонента. При использовании способа формирования наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов после изотермической выдержки при определенной температуре зафиксировано уменьшение массы образцов до 1,5…2% и изменение химического состава, т.е. концентрации компонентов сплава в приповерхностном слое. Нагрев в безокислительной среде вызывает изменение рельефа поверхности, который состоит из углублений в виде канавок с клинообразным асимметричным поперечным сечением. На рис. 3 представлена микроструктура приповерхностного слоя образца из сплава Л63 после лазерной обработки с применени- ем фокусатора излучения и нагрева в безокисли-тельной среде. Поверхность образцов после такой обработки представляла собой слой, обогащенный медью, что установлено результатами спектрографического анализа и рентгенографических исследований фазового состава поверхностного слоя. На рентгенограммах исчезают линии латуни и появляются линии, характерные для меди.

Рис. 3. Микроструктура приповерхностного слоя образца из сплава Л63 после лазерной обработки с применением фокусатора излучения и нагрева в безокислительной среде (увеличение 500): 1 – структура после обработки, 2 – исходная структура.

Заключение

На основании проведенных исследований установлено, что для получения наноразмерных пористых структур твердокристаллических материалов эффективным является применение метода сублимации более легко испаряющегося компонента сплава типа твердый раствор в сочетании с воздействием высокоэнергетическими потоками с целенаправленно изменяемым пространственным распределением мощности. Для придания обрабатываемым материалам требуемых физико-механических свойств целесообразно применить лазерную обработку с использованием фокусаторов излучения.

В результате расчета распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости оптического элемента, имеющего фокусное расстояние f=0,835 м, установлено следующее. При формировании излучения с гауссовским (RФ = 14∙10-3 м, rФ= 12,5∙10-3 м) и кольцевым (RK =10-2 м) распределением плотно- сти потока длина отрезка в фокальной плоскости составляет более (30…40)∙10-3 м, а приведенная к единице мощности интенсивность излучения q не превышает значения 1,6∙104 м-2. Применение лазерного излучения с кольцевым распределением плотности потока позволяет выполнить условие неоднородного распределения интенсивности излучения по длине полосового энергетического источника с максимумом по краям.

Лазерная обработка с использованием фокусато-ров излучения предоставляет возможность формировать мелкодисперсную структуру материалов, что позволяет при последующей сублимации в безокис-лительной среде увеличить концентрацию пор и более равномерно распределить их в объеме.

Работа выполнена при частичной поддержке российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE), ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», грантов РФФИ 07-07-97601, 06-07-08074, 07-0196602 и 07-07-91580-АСП.