Disertacijos tikslas yra ištirti didelio impulsų pasikartojimo dažnio pikosekundinių lazerių pritaikomumą medžiagų mikroapdirbimui, bei išaiškinti tokių lazerių spinduliuotės sąveikos su metalais ir siliciu ypatybes. Eksperimentiškai buvo ištirta abliacijos slenksčio ir akumuliacijos koeficiento priklausomybė nuo lazerio impulso trukmės siliciui ir metalams. Sukurtas ir eksperimentiškai patvirtintas modelis optimalioms fokusavimo sąlygoms surasti, siekiant maksimalios abliacijos spartos. Didelei impulso energijai, medžiagos nugarinimo efektyvumas mažėja dėl ekranuojančio plazmos poveikio. Įvairių impulso trukmių lazeriai buvo panaudoti silicio gręžimui bei pjovimui. Paviršiaus spektroskopijos metodais, nustatyta, kad pjovimo metu silicis yra legiruojamas anglimi iki 5 µm gylio iš atmosferoje esančio anglies dvideginio, o susidariusi silicio karbido fazė įtakoja lazerinio pjovimo kokybę silicio bandinio gylyje. Taikant didelio impulsų pasikartojimo dažnio pikosekundinius lazerius sudėtingos formos detalių gamybai, rasti sąryšiai tarp paviršiaus šiurkštumo bei proceso parametrų. Pjaunant lazeriu stentus iš Nitinolio, šilumos nukreipimas nuo ruošinio riboja galimą panaudoti lazerio vidutinę galią ir tuo pačiu pasiekiamą efektyvųjį pjovimo greitį; Vykdant sidabro ir aukso abliaciją pikosekundiniu lazeriu skystyje, generuojamos siauro dydžių skirstinio nanodalelės, kurios sudaro stabilius koloidinius tirpalus. / The objective of the thesis is to investigate applicability of high pulse repetition rate picosecond lasers for microfabrication and to clarify high repetition rate pulse interaction with metals and silicon. The ablation threshold and accumulation rate dependence on the laser pulse duration for silicon and metals has been experimentally studied. The model of optimal focus conditions for the maximum ablation rate was developed and experimentally confirmed. The material evaporation rate decreases duo to plasma screening for high pulse energies. Various pulse length lasers have been used for cutting and drilling of silicon. In this work key properties of laser radiation, radiation absorption, ablation and plasma formation are discussed. Surface spectroscopy methods have shown that laser cutting of silicon in the air leads to the cut surface doping with carbon atoms up to 5 µm depth from carbon dioxide in the atmosphere, and the resulting silicon carbide influences the laser cut quality. Testing of applicability of high pulse repetition rate picosecond lasers for the production of complex shapes, relationships between surface roughness and process parameters were determined. Heat abstraction from the workpiece, during laser cutting of stents from nitinol, limits the potential use of the average laser power and the effective cutting speed The silver and gold picosecond laser ablation in the liquid medium generates a narrow size distribution of nanoparticles, which form a stable... [to full text]

The objective of the thesis is to investigate applicability of high pulse repetition rate picosecond lasers for microfabrication and to clarify high repetition rate pulse interaction with metals and silicon. The ablation threshold and accumulation rate dependence on the laser pulse duration for silicon and metals has been experimentally studied. The model of optimal focus conditions for the maximum ablation rate was developed and experimentally confirmed. The material evaporation rate decreases duo to plasma screening for high pulse energies. Various pulse length lasers have been used for cutting and drilling of silicon. In this work key properties of laser radiation, radiation absorption, ablation and plasma formation are discussed. Surface spectroscopy methods have shown that laser cutting of silicon in the air leads to the cut surface doping with carbon atoms up to 5 µm depth from carbon dioxide in the atmosphere, and the resulting silicon carbide influences the laser cut quality. Testing of applicability of high pulse repetition rate picosecond lasers for the production of complex shapes, relationships between surface roughness and process parameters were determined. Heat abstraction from the workpiece, during laser cutting of stents from nitinol, limits the potential use of the average laser power and the effective cutting speed The silver and gold picosecond laser ablation in the liquid medium generates a narrow size distribution of nanoparticles, which form a stable... [to full text] / Disertacijos tikslas yra ištirti didelio impulsų pasikartojimo dažnio pikosekundinių lazerių pritaikomumą medžiagų mikroapdirbimui, bei išaiškinti tokių lazerių spinduliuotės sąveikos su metalais ir siliciu ypatybes. Eksperimentiškai buvo ištirta abliacijos slenksčio ir akumuliacijos koeficiento priklausomybė nuo lazerio impulso trukmės siliciui ir metalams. Sukurtas ir eksperimentiškai patvirtintas modelis optimalioms fokusavimo sąlygoms surasti, siekiant maksimalios abliacijos spartos. Didelei impulso energijai, medžiagos nugarinimo efektyvumas mažėja dėl ekranuojančio plazmos poveikio. Įvairių impulso trukmių lazeriai buvo panaudoti silicio gręžimui bei pjovimui. Paviršiaus spektroskopijos metodais, nustatyta, kad pjovimo metu silicis yra legiruojamas anglimi iki 5 µm gylio iš atmosferoje esančio anglies dvideginio, o susidariusi silicio karbido fazė įtakoja lazerinio pjovimo kokybę silicio bandinio gylyje. Taikant didelio impulsų pasikartojimo dažnio pikosekundinius lazerius sudėtingos formos detalių gamybai, rasti sąryšiai tarp paviršiaus šiurkštumo bei proceso parametrų. Pjaunant lazeriu stentus iš Nitinolio, šilumos nukreipimas nuo ruošinio riboja galimą panaudoti lazerio vidutinę galią ir tuo pačiu pasiekiamą efektyvųjį pjovimo greitį; Vykdant sidabro ir aukso abliaciją pikosekundiniu lazeriu skystyje, generuojamos siauro dydžių skirstinio nanodalelės, kurios sudaro stabilius koloidinius tirpalus.

The aim of this PhD thesis is to find out mechanisms of the ripple initiation and formation in the chromium thin film on the glass substrate. To learn to control the ripple formation and to apply it for fabrication of diffraction gratings. In this thesis, the experimental and theoretical results of new self-organization effect of the metal thin film on the glass substrate under irradiation with a sequence of partially overlapping laser pulses are presented. The method for formation of the regular ripples and results on investigation of diffractive properties of the self-organized gratings is presented. Different types of metals are used in experiments in order to understand the reasons of regular structure formation in chromium film. A diverse behavior of the films under laser irradiation is observed depending on the metal when burst of partially overlapping pulses was applied. Experimental data is compared with simulations based on different physical phenomena in order to develop and confirm a model of ripple formation in thin chromium film under its irradiation with pulses of a nanosecond laser. The Plateau-Rayleigh instability of the cylindrical ridge formation during laser ablation appears to be the most probable process responsible for initiation of the ripple formation. The Marangoni convection of the molten metal from hot areas to cold is the stabilizing process of steady ripple formation. / Disertacijos darbo tikslas yra suprasti pagrindinius fizikinius mechanizmus, lemiančius raibulių susidarymą. Išmokti kontroliuoti raibulių formavimąsi. Panaudoti raibulių formavimąsi difrakcinių gardeliu gamybai. Rasti sąlygas, kada raibulių formavimosi galima išvengti, siekiant sumažinti kodinės stiklinės liniuotės periodą. Ištirti galimą raibulių formavimąsi skirtingų metalų dangose. Šioje daktaro disertacijoje pristatomi eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai naujo savi-organizacijos reiškinio metalo dangos ant stiklo padėklo nanosekundinio lazerio į juostą sufokusuoto pluošto spinduliuotės poveikyje. Pristatomas naujas difrakcinių gardelių formavimo metodas panaudojant metalo savitvarką. Siekiant suprasti kas inicijuoja raibulių formavimąsi ir ar jis įmanomas visiems metalams, dangos apdribimas persiklojančiais lazerio impulsais aštriai į juostą sufokusuotu lazerio pluoštu išbandytas skirtingiems metalams. Skirtingas dangos elgesys stebimas kiekvienam metalui. Nagrinėjami pagrindiniai fizikiniai mechanizmai sukeliantys griežtai periodinių raibulių formavimąsi. Parodoma, kad raibulių formavimosi pradžia atsiranda dėl Plato-Reilio nestabilumo cilindrinės užvartos susidarymo metu. Taip pat parodoma, kad Marangoni konvekcija skystame metale yra pagrindinė jėga, lemianti nusistovėjusį periodinių raibulių formavimąsi.

Disertacijos darbo tikslas yra suprasti pagrindinius fizikinius mechanizmus, lemiančius raibulių susidarymą. Išmokti kontroliuoti raibulių formavimąsi. Panaudoti raibulių formavimąsi difrakcinių gardeliu gamybai. Rasti sąlygas, kada raibulių formavimosi galima išvengti, siekiant sumažinti kodinės stiklinės liniuotės periodą. Ištirti galimą raibulių formavimąsi skirtingų metalų dangose. Šioje daktaro disertacijoje pristatomi eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai naujo savi-organizacijos reiškinio metalo dangos ant stiklo padėklo nanosekundinio lazerio į juostą sufokusuoto pluošto spinduliuotės poveikyje. Pristatomas naujas difrakcinių gardelių formavimo metodas panaudojant metalo savitvarką. Siekiant suprasti kas inicijuoja raibulių formavimąsi ir ar jis įmanomas visiems metalams, dangos apdribimas persiklojančiais lazerio impulsais aštriai į juostą sufokusuotu lazerio pluoštu išbandytas skirtingiems metalams. Skirtingas dangos elgesys stebimas kiekvienam metalui. Nagrinėjami pagrindiniai fizikiniai mechanizmai sukeliantys griežtai periodinių raibulių formavimąsi. Parodoma, kad raibulių formavimosi pradžia atsiranda dėl Plato-Reilio nestabilumo cilindrinės užvartos susidarymo metu. Taip pat parodoma, kad Marangoni konvekcija skystame metale yra pagrindinė jėga, lemianti nusistovėjusį periodinių raibulių formavimąsi. / The aim of this PhD thesis is to find out mechanisms of the ripple initiation and formation in the chromium thin film on the glass substrate. To learn to control the ripple formation and to apply it for fabrication of diffraction gratings. In this thesis, the experimental and theoretical results of new self-organization effect of the metal thin film on the glass substrate under irradiation with a sequence of partially overlapping laser pulses are presented. The method for formation of the regular ripples and results on investigation of diffractive properties of the self-organized gratings is presented. Different types of metals are used in experiments in order to understand the reasons of regular structure formation in chromium film. A diverse behavior of the films under laser irradiation is observed depending on the metal when burst of partially overlapping pulses was applied. Experimental data is compared with simulations based on different physical phenomena in order to develop and confirm a model of ripple formation in thin chromium film under its irradiation with pulses of a nanosecond laser. The Plateau-Rayleigh instability of the cylindrical ridge formation during laser ablation appears to be the most probable process responsible for initiation of the ripple formation. The Marangoni convection of the molten metal from hot areas to cold is the stabilizing process of steady ripple formation.