Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе работ по проекту была разработана физико-математическая модель наносекундной лазерной абляции металлов в режиме пространственного ограничения разлета абляционного факела. Модель включает уравнение теплопроводности для металлической мишени с учетом затрат энергии на испарение, а также уравнения газовой динамики, описывающие эволюцию абляционного факела в зазоре между аблируемой мишенью и прозрачной акцепторной пластиной. Модель также позволяет описывать процесс конденсации пара на прозрачную пластину и может быть использована для описания процессов, лежащих в основе метода лазерно-индуцированного обратного переноса. Установлены общие закономерности течения пара в зазоре между аблируемой металлической мишенью и прозрачной акцепторной подложкой для различных величин зазоров в диапазоне от единиц до сотен микрометров. Показано, что при абляции наносекундными импульсами осадок имеет кольцеобразную структуру с внешним диаметром от 40 до 400 мкм в зависимости от плотности энергии импульса при диаметре исходного пучка около 45 мкм. На основе проведенных расчетов и их сопоставления с данными эксперимента проведена классификация режимов течения пара при различных толщинах зазоров. Показано, что наличие ограничивающей пластины существенно меняет характер распространения пара: - для случая абляции со сравнительно большими зазорами (> 100 мкм) можно отметить, что на протяжении большей части времени между паром и подложкой сохраняется воздушный зазор толщиной до 10 мкм, который предположительно препятствует конденсации пара на подложку и может являться причиной отсутствия осадка в эксперименте для случая больших зазоров; - в случае средних значений зазоров (десятки мкм) воздух быстро выдавливается из зазора в радиальных направлениях, и конденсация становится возможной. При этом вследствие торможения потока пара на поверхности подложки происходит формирование плотного горячего слоя с последующим растеканием пара в радиальных направлениях и его осаждением на подложку за пределами лазерного пучка; - в случае дальнейшего уменьшения толщины зазора (10 мкм и менее) нижняя граница области уплотнения доходит до поверхности металлической мишени, и параметры пара однородны по толщине зазора. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что наиболее эффективно осаждение происходит в диапазоне зазоров от 10 до 60 мкм. Экспериментальный подбор параметров ЛИОП для мишеней титана, стали, латуни позволил сделать следующие выводы: - Показано, что оптически нейтральные покрытия могут быть получены при использовании титановой мишени, что позволяет применять их для создания монохромных защитных меток и покрытий с заданным значением контраста. - Показано, что широкая палитра цветов (синий, желтый, красный, зеленый) может быть получена при использовании мишени из нержавеющей стали, однако стойкость маркировки не соответствует требованиям к адгезионной стойкости и требует дополнительной защиты сформированного покрытия. - Показано, что три преобладающих цвета (желтый, зеленый и красный) могут быть получены при использовании латунной мишени, что может быть положено в основу создания полихромных меток. Результаты колориметрического анализа полностью подтверждают визуальный анализ и позволяют сделать заключение о возможности получения полихромных меток на акцепторной подложке путем переноса материала латунной мишени. Морфология сформированных полихромных покрытий была исследована методом сканирующей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния и подтверждает предполагаемый механизм формирования покрытия. В результате изучения механизмов переноса серебра выявлены условия осаждения, позволяющие получить хорошо диспергированные наночастицы серебра с диаметрами в диапазоне от 26 нм до 200 нм. Проведенное исследование демонстрирует потенциал метода лазерно-индуцированного обратного переноса (ЛИОП) для усиления хемилюминесценции в микрофлюидных системах, показывая увеличение этого показателя до 1,7 раз в резервуарах с осажденными ЛИОП наночастицами серебра по сравнению с немодифицированными системами. Зарегистрированные методами высокоскоростной и тепловизионной съемки типовые формы плазменных факелов позволяют провести качественное сопоставление, которое подтверждает теоретически предсказанные зависимости структуры и формы факела в зависимости от условий эксперимента. Область нагрева в зазоре вблизи тыльной стороны акцепторной подложки, очевидно, связана с распространением газового потока в зазоре, и изменение наблюдаемой формы этой области при различных величинах зазора отлично коррелирует с теоретическими результатами.