Численное моделирование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с металлами

• Автор: Шепелев, Вадим Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 58 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Модель физических процессов
1.1 Постановка задачи
1.2 Электронная теплопроводность
1.3 Уравнения состояния
1.4 Начальные и граничные условия
2 Вычислительный алгоритм
2.1 Метод расщепления
2.2 Этап гидродинамики
2.3 Этап электронной теплопроводности
2.4 Этап электронно-ионного обмена
2.5 Замечания по реализации
3 Результаты
3.1 «Сверхзвуковое плавление» в алюминии
3.2 Исследование профиля волны сжатия в алюминии
3.3 Исследование абляции алюминия
Заключение
Список литературы

Введение
Настоящая работа посвящена численному исследованию физических процессов, происходящих при облучении металлов ультракороткими лазерными импульсами (УКЛИ). Ультракороткими считаются, вообще говоря, все лазерные импульсы длительностью порядка или менее одной пикосекунды (1 пс = 1СГ12 с). В работе рассматриваются в основном лазерные импульсы, порядок длительности которых находится в промежутке от единиц до сотен фемтосекунд (1 фс = 1СГ15 с). Такие импульсы также называются субпикосекундными и фемтосекундными. Существуют экспериментальные установки с аттосекундными импульсами (1 ас = 1СГ18 с), но они еще не получили достаточно широкого распространения.
Лазеры с ультракороткими импульсами появились около 30 лет назад, и они имеют большое количество приложений.
Малая длительность импульса позволяет на порядки увеличить точность обработки материалов по сравнению с более длинными импульсами и работать в пределах нескольких межатомных расстояний. Благодаря этому в микроэлектронике появилась возможность создавать чипы нового поколения. В нелинейной оптике стала возможной генерация наноструктур на поверхности облучаемых материалов, что повлекло за собой возможность создания материалов с принципиально новыми оптическими свойствами. В медицине УКЛИ имеют приложение в первую очередь в хирургии глаза. Также ведутся эксперименты по обработке с помощью УКЛИ костных тканей для применения в стоматологии и травматологии. УКЛИ имеют преимущества по сравнению с более длинными импульсами, поскольку они обеспечивают более мягкое и точное воздействие на клетки при операциях и более быстрое заживление разрезов.
УКЛИ используются и в фундаментальной науке. Из-за малой продолжительности действия УКЛИ обладают большими плотностями энергии, что открывает перед ними много возможностей, недоступных лазерам предыдущих поколений. УКЛИ используются для генерации мощных ударных волн в материалах с целью определения их термодинамических свойств в экстремальных состояниях, для ускорения частиц в ускорителях, для генерации излучения в широком спектре частот и интенсивностей. Они имеют приложения в спектроскопии, в инерционном термоядерном синтезе, в фотохимии.
Особый интерес к физике взаимодействия УКЛИ с веществом возникает из-за существования так называемого двухтемпературного или 2Т-состояния, в котором облученное вещество пребывает в течение нескольких пикосекунд после облучения. Основы теории 2Т-состояния были за-

ложены в середине прошлого века в работах [1, 2]. Спустя несколько десятков лет работы [3, 4], опирающиеся на теорию 2Т-состояния, позволили объяснить результаты экспериментов [5], по облучению металлов и диэлектриков с помощью УКЛИ. Дальнейшее развитие теория получила в работах [6, 8, 7, 9, 10, 11]. Также с ее помощью были объяснены интересные эксперименты по «окрашиванию» металлов фемтосекундными лазерными импульсами А.Я. Воробьева и Ч. Гуо [12]: описание механизма образования рельефа, приводящего к изменению цвета металлов приведено в работе [13].
Оптическая диагностика в упомянутых выше экспериментах по облучению тонких пленок производилась с помощью методики pump-probe, детальное описание которой можно найти в работе В.В. Темнова [14]. От исходного лазерного импульса с помощью оптической системы отделяется менее мощный зондирующий импульс, попадающий на облучаемый материал с некоторой временной задержкой. Использование этой методики позволяет с высокой точностью измерять оптические и кинематические характеристики либо самой облучаемой поверхности, либо, наоборот, задней поверхности пленки. Вместе с масс-спектрометрией методика pump-probe составляет наиболее распространенный арсенал экспериментальной диагностики в опытах с УКЛИ. Однако, несмотря на высокую точность измерений, эти методы дают лишь косвенную информацию о внутренней «кухне» процессов. Аналитические же подходы, наоборот, не обеспечивают достаточной точности.
Поэтому необходимыми являются методы исследования, основанные на математическом моделировании процессов, происходящих при облучении металлов и диэлектриков УКЛИ. В настоящее время распространены и признаны два подхода: молекулярно-динамическое моделирование и моделирование на основе двухтемпературной гидродинамики.
Описания наиболее известных в последнее десятилетие моделей и кодов по молекулярно-динамическому численному моделированию взаимодействия УКЛИ с металлами и диэлектриками опубликованы в работах Д.С. Иванова и Л.В. Жигйлея [15], В.В. Жаховского [4, 16, 17], С. Амору-зо [18], Дж.К. Чена [19]. Г.Э. Нормана и С.В. Старикова [20]. Эти методы требовательны к вычислительным ресурсам и развиваются параллельно с развитием супер-ЭВМ и параллельных вычислений.
2Т-гидродинамические модели и коды, в отличие от молекулярнодинамических, могут работать и на обычном настольном компьютере, поскольку для получения результатов достаточно решать одномерные уравнения гидродинамики. Эти методы эволюционировали из однотемпературных моделей, использовавшихся еще в 70-е годы прошлого века. Как правило, разные подходы уделяют большое внимание тому или

3 Результаты
3.1 «Сверхзвуковое плавление» в алюминии
Рассмотрим экспериментальную конфигурацию «стекло-алюминий-вакуум». Лазерное излучение проходит сквозь стекло и поглощается в повехностном слое пленки около границы «стекло-алюминий».
Весь происходящий процесс можно условно разделить на две стадии: двухтемпературную (2Т) и следующую за ней однотемпературную (1Т). Лазерное излучение поглощается только электронами и не нагревает ионы, поэтому поглощение ультракороткого лазерного импульса металлом приводит к образованию двухтемпературного (2Т) слоя, существующего в течение нескольких пикосекунд. Ширина двухтемпературного слоя &г составляет несколько десятков нанометров. В начале электронная температура в 2Т-слое быстро растет, достигая значений в десятки тысяч кельвин. Часть энергии электроны отдают решетке за счет электронноионной релаксации, но ионная температура не успевает вырасти более, чем до нескольких тысяч кельвин. Когда действие импульса заканчивается, электронная температура перестает расти и начинает падать. Ионная температура продолжает расти, что, в конечном счете, приводит к выравниванию электронной и ионной температур. К 2Т-стадии относится весь процесс от начала поглощения импульса до выравнивания температур в 2Т-слое. Далее двухтемпературные эффекты становятся несущественными, и процесс можно рассматривать как однотемпературный.
Состояние металла в 2Т-слое в конце 2Т-стадии характеризуется большим давлением (пик превышает 10 ГПа) и плотностью, примерно равной плотности при комнатной температуре. Это сильное возмущение давления, сформированное на 2Т-стадии, впоследствии распространяется вглубь пленки. О формировании этого возмущения говорят как о «нагружении» 2Т-слоя. Распространение возмущения вглубь металла или «разгрузка» 2Т-слоя определяет все дальнейшие гидродинамические процессы, происходящие в пленке.
Помимо электронно-ионной релаксации, существенное влияние на перенос энергии на 2Т-стадии оказывает электронная теплопроводность, которая приводит к распространению тепловой волны вглубь металла. Поскольку ионы успевают нагреться до температур, превышающих температуру плавления, фронт плавления движется вглубь фг-слоя, следуя за тепловой волной. Скорость тепловой волны значительно превышает звуковую (порядок звуковой скорости в алюминии Сдд; « 6000 м/с). Поэтому об этом эффекте говорят как о неравновесном «сверхзвуко-