X Научная школа-семинар молодых специалистов
Московский государственный институт электроники и математики, Физический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына. Институт металлургии им. А. А. Байкова, Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН) проводит в г. Москве X Межвузовскую школу молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине».
На школе рассматриваются следующие проблемы:
- Физические основы концентрированных потоков энергии;
- Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы и изделия космической техники;
- Методы обработки материалов концентрированным излучением;
- Воздействие лазерного и микроволнового излучения на вещество;
- Концентрированные потоки энергии в экологии и медицине;
- Концентрированные потоки энергии в электронике.
23 — 24 ноября 2009 года проводилась очередная X межвузовская научная школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине». Была сформирована Программы работы Школы. Проводились мероприятия по информации и привлечению к участию в Школе молодых учёных из институтов, ВУЗов и научно-производственных организаций. Осуществлялась научно-методическая помощь потенциальным участникам — молодым учёным и специалистам ИПЛИТ РАН и других организаций. Проведено рецензирование и отбор докладов. Издан сборник трудов Школы. В трудах были рассмотрены физические основы концентрированных потоков энергии, воздействия концентрированных потоков энергии на материалы и изделия космической техники, методы обработки материалов концентрированным излучением, воздействие лазерного и микроволнового излучения на вещество, концентрированные потоки энергии в экологии и медицине, концентрированные потоки в электронике.
Молодыми учёными ИПЛИТ РАН на Школе были сделаны следующие доклады. Все они посвящены важным направлениям современной лазерной физики и технологии. Дадим краткую характеристику каждой из этих работ.
1. Остаточные деформации при лазерной резке. В. С. Майоров, С. В. Майоров, М. Д. Хоменко, Р. В. Гришаев.
Было поведено исследование с целью выявления влияния режимов лазерной резки листовых металлических материалов на их устойчивость к возникновению остаточных деформаций. Остаточные деформации и потеря плоскостности являются одним из характерных видов дефектов при лазерной резке. На основе теоретического анализа процесса выявлены физические основы зависимости остаточных деформаций от параметров зоны термического влияния, которые в свою очередь зависят от режимов лазерной резки. Определялись показатели качества резки (В-первую очередь величина зоны термического влияния — ЗТВ, количество грата, шероховатость поверхности реза) в зависимости от режима лазерной резки. Наилучшее качество лазерной резки дает импульсно-периодический режим, но максимальную производительность при достаточно хорошем качестве обеспечивает непрерывный режим генерации лазера. При этом главное, чтобы был достаточный запас мощности излучения лазера и быстродействующие мощные приводы координатной системы с хорошей динамикой. А на острых углах — плавный переход в импульсно-периодический режим с управляемой от ЧПУ мощностью лазера. Такие режимы обеспечивают минимальную величину ЗТВ и способствуют отсутствию деформаций у вырезанных лазером изделий. Проведена экспериментальная проверка теоретической модели.
2. Исследования процессов воздействия лазерного излучения на металл с помощью многоканального пирометра А. В. Дубров, Ю. Н. Завалов, В. Д. Дубров
Были приведены результаты измерения яркостной температуры в зоне воздействия лазерного излучения на металл при различных параметрах газолазерной резки. Изменение параметров реза приводит к различной шероховатости профиля боковой поверхности, а, значит, различному качеству лазерной резки. А так же проведены измерения яркостной температуры в зоне воздействия лазерного излучения на металл в указанных условиях резки. Полученные данные позволяют вычислить спектр пульсаций температуры путем усреднения спектров отдельных реализаций Таким образом, использование многоканального пирометра позволяет изучать процессы гидродинамики расплава при воздействии лазерного излучения на металлы. Получены спектры пульсаций яркостной температуры на разной глубине фронта воздействия лазерного излучения на металл, и для различных параметров лазерного реза. Измерения спектра пульсаций на различной глубине дают основания утверждать, что по поверхности движущегося расплава формируются квазирезонансные капиллярные волны, что может быть проявлением термокапиллярного механизма воздействия лазерного излучения на фронт реза. В этом случае высокочастотный спад пульсаций температуры связан с особенности переноса энергии капиллярных волн по турбулентному спектру.
3. Расчет выходного излучения неустойчивого резонатора с турбулентным потоком активной среды. Р. В. Гришаев, В. Д. Дубров, Ю. Н. Завалов, М. Д. Хоменко
Рассеяние внутрирезонаторного излучения на турбулентных неоднородностях показателя преломления активной среды прокачного СО2 — лазера приводит к возникновению флуктуаций фазы и амплитуды выходного пучка, тем самым, понижая его качество. В данной работе производится расчет выходного излучения такого лазера для случая неустойчивого резонатора. На примере двух конфигураций неустойчивого резонатора рассмотрено влияние на распределения интенсивности и фазы выходного излучения эффекта светорассеяния внутрирезонаторного излучения на турбулентных пульсациях потока активной среды. Распространение излучения внутри лазерного резонатора рассчитывалось с учетом турбулентной активной среды, описанной в приближении Кармана для спектра турбулентных пульсаций показателя преломления. Показано, что с ростом турбулентности распределение поля становится все более изрезанным, и угловая расходимость выходного излучения растет.
4. Алгоритмы оптимизации для систем мониторинга качества лазерных технологических процессов. А. В. Дубров, Ю. Н. Завалов, В. Д. Дубров.
Были использованы данные «текущей средней температуры» и среднеквадратичного отклонения температуры от средней температуры в канале, что не позволяет построить эффективных алгоритмов контроля качества реза. На основе проведенных измерений при резке толстых листов малоуглеродистой стали был разработан и опробован оригинальный алгоритм стабилизации процессов удаления расплава при канализированном проникновении лазерного пучка в материал. Использование данных «текущей средней температуры» и ее среднеквадратичной девиации, а также «амплитуды высокочастотных пульсаций» температуры в канале не позволяют построить эффективных алгоритмов контроля качества реза. Разработан алгоритм обработки данных пирометрического датчика с использованием преобразования Гильберта, в котором на основе данных короткой выборки (0,3 … 1 сек), рассчитается параметр качества разки. Алгоритм был опробован на имеющейся базе экспериментальных данных реза толстых листов малоуглеродистой стали толщиной 6,8 и 10 мм. Практическая значимость в том, что разработан алгоритм, который можно использовать для он-лайн контроля технологических процессов воздействия излучения на материал.
5. Определение параметров турбулентности газового потока с помощью прибора SPOTON. А. В. Дубров, Ю. Н. Завалов, В. Д. Дубров
Были изучены основные особенности воздействия турбулентного потока газа с внутренним тепловыделением на качество проходящего лазерного излучения. В данной статье приводятся результаты экспериментальных исследований особенностей прохождения лазерного излучения через турбулентную среду неоднородного по температуре потока газа. Исследовалась зависимость степени турбулизации потока от скорости потока и степени нагрева газа. С этой целью измерялась временная динамика флуктуаций углов прихода лазерного пучка, прошедшего через турбулентную трассу. В экспериментах был использован прибор SpotOn USB с двумя позиционно-чувствительными датчиками. Создан стенд и выполнены экспериментальные исследования особенностей прохождения лазерного излучения через турбулентную среду неоднородного по температуре потока газа в режиме нагрева газа тепловыми источниками. Путем измерения параметров лазерного пучка, прошедшего через турбулентную трассу исследовалась зависимость степени турбулизации потока от его скорости и степени нагрева газа. Разработана методика оценки характеристического параметра турбулентных пульсаций Сn² из данных эксперимента. Показана возможность управления характеристическим коэффициентом турбулентных пульсаций Сn² путем изменения параметра внешнего нагрева.
6. Модификация поверхности кристаллического кремния под действием наносекундных импульсов второй гармоники Nd: YAG лазера. Д. А. Зуев, В. В. Рочева, Е. В. Хайдуков, О.А Новодворский, О. Д. Храмова, А. Ю. Поройков, В. В. Дворкин, В. Я. Панченко
В данной работе проводились исследования модификации поверхности кремния под действием наносекундных импульсов второй гармоники Nd:YAG лазера. Облучение монокристаллического кремния проводилось в атмосфере воздуха и в вакууме при разной плотности мощности и разной дозе облучения. Образцы исследовались с помощью оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии. Получены четыре типа различных модификаций поверхности кремния: периодические поверхностные структуры (LIPSS), микроиглы, микропирамиды и концентрические волны.
7. Фотолюминесценция тонких пленок оксида цинка, легированных азотом и фосфором.
Л. С. Паршина, Е. А. Черебыло, О.А Новодворский, О. Д. Храмова,
В. Я. Панченко
Получение высококачественных пленочных структур р- и n- типа является важной задачей при создании светоизлучающих р-n переходов на основе окисида цинка. Методом лазерно-плазменного осаждения получены серии образцов тонких пленок оксида цинка ZnO: N и ZnO: P. Исследованы фотолюминесцентные (ФЛ) свойства пленок ZnO при непрерывном (325 нм, He-Cd лазер) оптическом возбуждении. Спектры ФЛ были получены с помощью спектрометра Ocean Optics HR4000 в области 300—700 нм в температурном диапазоне от 10 до 400 К. Исследовано влияние условий осаждения пленок на спектры ФЛ. Исследовано влияние уровня легирования пленок ZnO N и P на интенсивность спектров фотолюминесценции пленок и положение полос ФЛ в УФ области. Измерены спектры поглощения пленок ZnO: N и ZnO: P в коротковолновой области (250—400 нм). Исследовано влияние уровня легирования N и P на ширину запрещенной зоны пленок ZnO.
8. Влияние термического отжига на свойства пленок оксида цинка, легированных азотом и фосфором. Е. А. Черебыло, Л. С. Паршина, В. Я. Панченко, О.А Новодворский, О. Д. Храмова,
Современные тенденции в микроэлектронике требуют создания качественных пленок нанометровой толщины, что требует постоянного повышения однородности и гладкости поверхности полученных структур. Методом лазерно-плазменного осаждения из керамических мишеней получены серии образцов тонких легированных пленок оксида цинка ZnO: N и ZnO: P. Zn3N2, MgO и Zn3P2 были введены в керамические мишени ZnO для получения пленок ZnO p-типа. В качестве буферного газа был использован O2 и N2O. Проведен термический отжиг пленок ZnO. Измерено удельное сопротивление и спектры фотолюминесценции пленок ZnO до и после отжига. Установлена зависимость амплитуды и положения пика фотолюминесценции пленок ZnO до и после отжига от уровня легирования пленок N и P.
9. Метод скрещенных пучков для напыления пленок кремния Е. В. Хайдуков, А. А. Лотин, В. В. Рочева, О. А. Новодворский, В. Я. Панченко
Методом зонда Ленгмюра исследовался эрозионный факел, образующийся при абляции кремния излучением твердотельного лазера (λ=1,06 µm). Получены времяпролетные кривые ионных токов на зонд для плазменного пучка, образованного пересекающимися факелами от двух мишеней и для эрозионного факела от одной мишени кремния. Исследования проведены для расстояний зонд-мишень в интервале 40-157 mm. Получено угловое распределение ионов плазменного пучка, образованного пересекающимися факелами. Исследовано угловое распределение капель в методе скрещенных пучков. Получено распределение толщины пленки Si относительно оси плазменного пучка в области, свободной от попадания капель. АСМ анализ показал высокое качество поверхности получаемых пленок Si. При температуре подложки 300 0C шероховатость не превышает 1 нм.
10. Нелинейное оптическое усиление в столбчатых структурах ZnO. А. А. Лотин, О. А. Новодворский, Е. В. Хайдуков, В. Я. Панченко
Столбчатые структуры и монокристаллическая пленка ZnO были выращены методом лазерно-плазменного осаждения на кремниевых (100) сапфировой (00.1) подложках. С помощью сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии было установлено, что от температуры роста зависят характеристические размеры столбчатых структур ZnO. Поперечный размер столбов ZnO выращенных при 4000С составил 50-270 нм, а при 5000С 150—400 нм. Исследованы спектры фотолюминесценции монокристаллической пленки и столбчатых структур ZnO при возбуждении эксимерным (248 нм), He-Cd (325 нм) и азотным (337 нм) лазерами. Установлено, что столбчатые структуры оксида цинка обладают нелинейным оптическим усилением, проявляющимся в нелинейной зависимости интенсивности фотолюминесценции от мощности оптической накачки.
11. Морфология тонких пленок аморфного Si, полученных при различных температурах осаждения методом CBPLD В. В. Рочева, Е. В. Хайдуков, О. А. Новодворский, В. Я. Панченко
Получены тонкие пленки Si на кремниевых подложках (001) при температурах осаждения от 20 0С до 650 0С. Напыление проводилось в вакуумной камере при остаточном давлении 10-6 Торр, мишени из кремния аблировались излучением неодимового лазера λ=1,06 µm с модуляцией добротности, при этом использовался метод скрещенных пучков (CBPLD), который позволяет избавиться от попадания капель и кластеров на поверхность пленки. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что все напыляемые пленки являются аморфными. Методом АСМ исследована зависимость морфологии пленок от температуры осаждения. Анализ поверхности пленок методом АСМ показал, что существует оптимальная температура осаждения, при которой поверхность имеет однородный гладкий характер с шероховатостью ниже 1 нм.
12. Использование беспроводных распределенных сенсорных сетей для измерения экологических параметров рассеянного излучения. И. В. Воронин, Д. В. Хомяк, А. Н. Краснощеков.
Потоки теплового или электромагнитного излучения могут представлять опасность для здоровья человека. Для исследования микроклимата на выбранном объекте осуществляется сбор экологических параметров, при этом приходится анализировать большой объем потоков информации, которые можно собирать используя беспроводные распределенные сенсорные сети (РСС). Для минимизации затрат и повышения надежности работы всей системы используются РСС на основе свободного программного обеспечения (СПО). В данном исследовании использовано оборудование компании MeshLogic. Оборудование представляет собой оборудование из отладочных плат — датчиков, USB — кабеля и программного обеспечения. В ходе проведения исследования были зафиксированы в сконцентрированном виде исследуемый поток энергии и зафиксирован массив данных о температуре, влажности и освещении. Исследование микроклимата на определенных локальных территориях поможет наиболее адекватно решать вопросы комфортности проживания населения, позволит на микроуровне изучить эмиссию и рассеивание вредных веществ в атмосферном воздухе, а также при строительстве и реконструкции зданий и сооружений, при ландшафтных и иных работах.
13. Применение лазерной стереолитографии в реконструктивной челюстно-лицевой хирургии.
С.А Черебыло, А. В. Евсеев, П. Н. Митрошенков
Метод лазерной стереолитографии нашел применение в косметической и реконструктивной челюстно-лицевой хирургии. При травматических повреждениях средней зоны лица характерно наличие деформаций, то есть смещение или потеря фрагментов костных, мягких тканей и изменение их объёма. Актуальной является задача предоперационного планирования для устранения дефектов получение точной 3D компьютерной модели. Такую возможность дает компьютерное томографическое исследование. Специальное программное обеспечение позволяет по данным компьютерного томографа построить 3D модель, а метод лазерной стереолитографии позволяет изготовить ее пластиковую копию. В основе метода лазерной стереолитографии лежит локальное изменение фазового состояния (переход из жидкого состояния в твердое) фотополимеризующего материала под воздействием инициирующего лазерного излучения. Применение метода лазерной стереолитографии и компьютерной томографии дает возможность хирургам детально спланировать ход операции, реально сократить время проведения операции (что особо важно для детей), повысить качество операции и как следствие сократить реабилитационный период. В данной работе приводятся результаты по использованию компьютерного моделирования и лазерной стереолитографии для подготовки и планирования операций в косметической хирургии связанной с реконструкцией мягких и костных тканей.
Большой интерес у участников вызвали доклады сотрудников ИПЛИТ РАН Хоменко М. Д., Дуброва А. В., Хайдукова Е. В., Лотина А. А. Трудно переоценить роль молодых учёных в перспективах развития передовых научных направлений, к которым относятся и вопросы взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом. Возможность живого общения студентов и аспирантов с ведущими учёными страны, творческие обсуждения научных достижений и перспективы дальнейшего развития науки способствуют воспитанию новых молодых высококвалифицированных научных кадров. Жизнь подтвердила потребность интеграции творческих усилий академических и вузовских организаций в решении актуальных проблем развития высоких технологий и необходимость проведения подобного рода симпозиумов и научных школ. Основными результатами работы Школы следует считать: Повышение уровня профессиональной подготовки студентов и аспирантов, обсуждение наиболее актуальных проблем, эффективный обмен мнениями и информацией о тенденциях и перспективах исследований концентрированных потоков энергии в применении к космической технике, электронике, экологии и медицине; развитие активных элементов обучения за счёт непосредственного контакта молодых учёных с ведущими специалистами, предоставления студентам и аспирантам возможности доложить свои результаты, отстаивать свою точку зрения в дискуссиях и учитывать критические замечания в дальнейшей работе. Выступления на Школе широко известных в стране и за рубежом наших ведущих учёных является крайне полезным для молодых учёных, расширяет их кругозор, знакомит с самыми последними научными достижениями и разработками. Издание сборника материалов Х Межвузовской научной школы молодых специалистов, адресованного преподавателям, научным сотрудникам, аспирантам и студентам высших учебных заведений и академических институтов.
Подробную информацию о работе Школы (с фотографиями) можно посмотреть на сайте http://nuclphys.sinp.msu.su/school .
Участники X Межвузовской школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»
Докладчик м.н.с. Дубров А.В.
Докладчик м.н.с. Хоменко М.Д.
Докладчик н.с. Хайдуков Е.В.
Докладчик н.с. Лотин А.А.
Директор НИЦ ЛОИ ИПЛИТ РАН д.ф.-м.н., проф. Майоров В.С.
