Разработка ученых повысит эффективность производства нанопорошка для оптики

Диагностический комплекс для высокоскоростной динамической визуализации процесса получения оксидных нанопорошков для оптики разработали специалисты Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического института (ТПУ) совместно с коллегами из Института оптики атмосферы (ИОА) им. В. Е. Зуева СО РАН и Института электрофизики УрО РАН, 25 марта сообщает пресс-служба ТПУ.

Визуализация явлений в области взаимодействия лазерного излучения с тугоплавкими оксидами с помощью созданного комплекса позволяет с высоким временным разрешением изучать динамику формирования расплава и его последующего испарения, что дает возможность для повышения эффективности производства нанопорошков оксидов.

Результаты исследования новой системы ученые представили в статье «Активная оптическая система для высокоскоростного получения изображений лазерного испарения оксидов», опубликованной в журнале Optics & Laser Technology (Q1; IF: 5).

Метод получения оксидных нанопорошков с помощью мощных технологических лазеров в последнее время становится всё более популярным. Лазеры испаряют мишень, спеченную из микропорошка нужного оксида или смеси оксидов, а пары мишени конденсируются в буферном газе, образуя нанопорошок. В дальнейшем он может быть использован, например, для изготовления керамических твердых электролитов и активных элементов лазеров.

Для оптимизации процесса необходимо иметь возможность визуализации динамических явлений, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с материалами. Существующие на настоящий момент методы визуализации процесса обладают некоторыми недостатками, например, они не избавлены от негативного влияния фонового излучения.

Поэтому исследователи ТПУ совместно с коллегами из лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН занялись созданием новых, более совершенных методов и систем визуализации с подавлением собственного свечения лазера.

Разработанный в результате комплекс представляет собой лазерную оптическую систему на основе малогабаритного усилителя яркости на парах бромида меди, который изготавливается в ИОА СО РАН. Устройство обеспечивает высокую скорость съемки процесса в видимом диапазоне спектра — до 22 тыс. кадров в секунду, и высокое пространственное разрешение — до 1 мкм.

Профессор отделения электронной инженерии ТПУ, руководитель лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН Максим Тригуб пояснил:

«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 съемки одной из них был синхронизирован по времени с режимом работы в режиме повторения импульсов. А малая длительность импульса усиления позволила снизить искажение формируемых изображений».

Установка активной оптической системы, созданная коллективом томских ученых, была исследована в Институте электрофизики УРО РАН. В ходе тестовых экспериментов специалисты лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН выполнили скоростную визуализацию динамических процессов при испарении иттербиевым волоконным лазером образцов оксида титана, оксида железа и других соединений.

Полученные результаты позволили выявить некоторые важные особенности установки относительно динамики явлений в зоне взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

Так, оказалось, что экранирующий эффект собственного свечения был полностью устранен. Это, в свою очередь, позволило визуализировать испаряющийся материал и зафиксировать крупные капли, образующиеся под действием лазерного импульса, и кратер на мишени во время воздействия импульса волоконного лазера. А также 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», — отмечает Максим Тригуб.

Кроме того, отметил ученый, результаты исследования расширяют фундаментальные знания о природе лазерной абляции, а также позволяют повысить эффективность производства нанопорошков.

Команда ученых планирует на следующем этапе реализации проекта улучшить тактико-технические характеристики комплекса, такие как предельная скорость съемки и срок службы усилителя, а также уменьшить габариты установки.