ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАКОРОТКОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА МЕТАЛЛЫ: ДВУХТЕМПЕРАТУРНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ, ВСПЕНИВАНИЕ РАСПЛАВА И ЗАМОРАЖИВАНИЕ РАЗРУШАЮЩЕЙСЯ НАНОПЕНЫ

© 2014 г.    Н. А. Иногамов^*, доктор физ.­мат. наук; В. В. Жаховский^**, канд. физ.­мат. наук; Ю. В. Петров^*, доктор физ.­мат. наук; В. А. Хохлов^*, канд. физ.­мат. наук; С. И. Ашитков^**, канд. физ.­мат. наук; К. П. Мигдал^***, аспирант; Д. К. Ильницкий^***; Ю. Н. Эмиров^****, доктор физ.­мат. наук; П. С. Комаров^**, канд. физ.­мат. наук;         М. Б. Агранат^**, доктор физ.­мат. наук, профессор; С. И. Анисимов^*, доктор физ.­мат. наук, член­корр. РАН; В. Е. Фортов^**, доктор физ.­мат. наук, академик РАН

^*Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, Московская обл., Черноголовка

^**Объединённый институт высоких температур РАН, Москва

^***Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова, ГК “Росатом”, Москва

^****Advance Materials Research Institute, Florida Intern. University, Miami FL, USA

Е­mail: nailinogamov@googlemail.com

Ультракороткий нагрев вещества переводит его в двухтемпературное (2Т) состояние с горячими электронами. В этом состоянии происходят быстрое увеличение толщины прогретого слоя в глубь металла (по сравнению с толщиной скин­слоя) и резкий подъем давления в слое прогрева из­за высокого темпа нагрева (инерционное удержание). Разработана методика учета 2Т, термомеханических и многомерных (структурирование мишени) явлений. Она опирается на квантово­механические вычисления с помощью функционала плотности, решения кинетических уравнений, 2Т гидродинамические и молекулярно­динамические расчеты. Изучен механизм формирования сверхупругих ударных волн и образования сложных поверхностных структур. Соответствующие результаты имеют большое значение для разработки перспективных нанометаллургических технологий, связанных с лазерным пиннингом, повышением коррозионной стойкости и изменением оптических характеристик поверхности.

Ключевые слова: ультракороткий лазерный импульс, двухтемпературное состояние, лазерная абляция, транспортные коэффициенты.

Коды OCIS: 320.2250, 320.5390, 321.7130, 140.3330, 140.6810, 160.3900.

УДК 535.21 539.1.043 538.935

Поступила в редакцию 09.12.2013.

ЛИТЕРАТУРА

1.         Анисимов С.И, Капелиович Б.Л., Перельман Т.Л. Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких лазерных импульсов // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. № 2. С. 776–779.

2.         Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Е.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Физматлит, 2008. 308 с.

3.         Inogamov N., Petrov Y., Zhakhovsky V., Khokhlov V., Demaske B., Ashitkov S., Khishchenko K., Migdal K., Agranat M., Anisimov S., Fortov, V.  Two­temperature thermodynamic and kinetic proporties of transition metals irradiated by fs lasers // AIP Conference Proceedings. 2012. V. 1464. P. 593–608.

4.        Анисимов С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Нишихара К., Петров Ю.В., Хохлов В.А. Разлет вещества и образование кратера при абляции под действием ультракороткого лазерного импульса // ЖЭТФ. 2006. Т. 130. № 2.  С. 212–227.

5.         Иногамов Н.А., Петров Ю.В. Теплопроводность металлов с горячими электронами // ЖЭТФ. 2010. Т. 137. № 3. С. 505–529.

6.        Петров Ю.В., Иногамов Н.А., Мигдал К.П. Теплопроводность и коэффициент электрон­ионного теплообмена в конденсированных средах с сильно возбужденной электронной подсистемой // Письма в ЖЭТФ. 2013.    Т. 97. № 1. С. 24–31 .

7.         Петров Ю. В., Иногамов Н. А. Снятие моттовского межзонного s­d­увеличения электросопротивления никеля и платины за счет возбуждения электронов фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 5. С. 316–322.

8.        Petrov Y.V.  Energy exchange between the lattice and electrons in a metal under femtosecond laser irradiation // Laser and Particle Beams. 2005. V. 23. P. 283–289

9.        Inogamov N., Anisimov S., Zhakhovsky V., Faenov A., Petrov Y., Khokhlov V., Fortov V., Agranat M., Ashitkov S., Komarov P., Skobelev I., Kato Y., Pikuz T., Shepelev V., Fukuda Y., Tanaka M., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Kando M., Kawachi T., Nagasono M., Ohashi H., Yabashi M., Tono K., Senda Y., Togashi T. and Ishikawa T. Ablation by short optical and x­ray laser pulses // SPIE Proceedings. 2011. V.7996. P. 79960T.

10.       Inogamov N., Faenov A., Zhakhovsky V., Pikuz T., Skobelev I., Petrov Y., Khokhlov V., Shepelev V., Anisimov S., Fortov V., Fukuda Y., Kando M., Kawachi T., Nagasono M., Ohashi H., Yabashi V., Tono K., Senda Y., Togashi T., and Ishikawa T. Two­temperature warm dense matter produced by ultrashort extreme vacuum ultraviolet­free electron laser (euv­fel)  pulse // Contributions to Plasma physics. 2011. V. 51. № 5. P. 419–426.

11.       Lin Z., Zhigilei L. V., Celli V. Electron­phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron­phonon nonequilibrium // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 075133.

12.       Rethfeld B., Kaiser A., Vicanek M., Simon G. Ultrafast dynamics of nonequilibrium electrons in metals under femtosecond laser irradiation // Phys. Rev. B 2002. V. 65. P. 214303.

13.       Amoruso S., Bruzzese R., Wang X., Atanasov P. Femtosecond laser ablation of nickel in vacuum // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 331–340.

14.       Kanavin A., Smetanin I., Isakov V., Afanasiev Y., Chichkov B., Wellegehausen B., Nolte S., Momma C., Tunnermann A. Heat transport in metals irradiated by ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. P. 14698–14703.

15.       Loboda P., Smirnov N., Shadrin A., Karlykhanov N. Simulation of absorption of femtosecond laser pulses in solid­density copper // High Energy Density Physics. 2011. V. 7. P. 361.

16.       Agranat M.B., Anisimov S.I., Ashitkov S.I., Zhakhovskii V.V., Inogamov  N.A., Nishihara, K., Petrov Y.V., Fortov V.E., Khokhlov V.A. Dynamics of plume and crater formation after action of femtosecond laser pulse // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253. P. 6276–6282.

17.       Agranat M.B., Anisimov S.I., Ashitkov S.I., Zhakhovskii V. V., Inogamov N.A., Nishihara K., Petrov Y.V. Nanospallation induced by a femtosecond laser pulse // Proc. SPIE. 2007. V. 6720. P. 672002.

18.       Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Ашитков С.И., Петров Ю.В., Агранат М.Б., Анисимов С.И., Нишихара К., Фортов В.Е. О наноотколе после воздействия ультракороткого лазерного импульса // ЖЭТФ. 2008. Т. 134. № 1. С. 5­28.

19.       Inogamov N.A., Anisimov S.I., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Zhakhovskii  V.V., Nishihara K., Agranat M.B., Ashitkov S.I., Komarov P. S. Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse // Proc. SPIE. 2008. V. 7005. P. 70052F.

20.      Petrov Y.V., Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Ashitkov S.I., Khokhlov V.A., Upadhyay A.K., Agranat M.B., Anisimov S.I., Nishihara K., Rethfeld B., Urbassek H.M. Equation of state of matter irradiated by short laser pulse and geometry of spalled cupola // Proc. SPIE. 2008. V. 7005. P. 70051W.

21.       Anisimov S., Inogamov N., Petrov Y., Khokhlov V., Zhakhovskii V., Nishihara K., Agranat M., Ashitkov S., Komarov P.  Thresholds for frontal ablation and backside spallation of thin foil irradiated by femtosecond laser pulse // Appl. Phys. A. 2008. V. 92. № 4. P. 797–801.

22.      Zhigilei L.V., Lin Z., Ivanov D.S. Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metals: Connections between melting, spallation, and phase explosion //  J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. № 27. P. 11892 .

23.      Zhakhovskii V., Inogamov N., Petrov Y., Ashitkov S. and Nishihara K., Md simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255, P. 9592.

24.      Karim E.T., Lin Z., Zhigile, L.V. Molecular dynamics study of femtosecond laser interactions with cr targets // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1464 P. 280–293.

25.      Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Комаров П.С, Овчинников А.В., Фортов В.Е., Хохлов В.А., Шепелев В.В. Прочностные свойства расплава алюминия в условиях экстремально высоких темпов растяжения при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. № 9. С. 517­523.

26.      Ашитков С.И., Агранат М.Б., Канель Г.И., Комаров П.С., Фортов В.Е. Поведение алюминия вблизи предельной теоретической прочности в экспериментах с фемтосекундным лазерным воздействием // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. № 8. С. 516–520.

27.       Ashitkov S., Inogamov N., Komarov P., Zhakhovsky V., Oleynik I., Agranat M., Kanel G. and Fortov V. Strength of metals in liquid and solid states at extremely high tension produced by femtosecond laser heating // AIP Conference Proc. 2012. V. 1464. P. 120–125.

28.      Inogamov N., Faenov A., Khokhlov V., Zhakhovskii V., Petrov Y., Skobelev I., Nishihara K., Kato Y., Tanaka M., Pikuz T., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Fukuda Y., Bulanov S., Kawachi T., Anisimov S., Fortov V. Spallative ablation of metals and dielectrics // Contributions to Plasma Physics. 2009. V. 49. № 7–8. P. 455–466.

29.      Demaske B., Zhakhovsky V., Inogamov N., Oleynik I. Ablation and spallation of gold films irradiated by ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 064113.

30.      Zhakhovsky V., Demaske B., Inogamov N., Khokhlov V., Ashitkov S., Agranat M., Oleynik I. Super­elastic response of metals to laser­induced shock waves // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1464. P. 102–112.

31.       Demaske B., Zhakhovsky V., Inogamov N. and Oleynik, I. Molecular dynamics simulations of femtosecond laser ablation and spallation of gold // AIP Conf. Proc. 2010. V. 1278. P. 121–130.

32.      Demaske B., Zhakhovsky V., Inogamov N., White C., Oleynik I. Md simulations of laser­induced ultrashort shock waves in nickel // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1426. P. 1163–1166.

33.      Demaske B.J., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A., Oleynik I.I. Ultrashort shock waves in nickel induced by femtosecond laser pulses // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 5. P. 054109 [1–9].

34.      Bushman A.V., Kanel’ G. I., Ni A. L., Fortov V. E. Intense dynamic loading of condensed matter. Taylor & Francis (1993).

35.      Kanel G.I., Razorenov S.V., Fortov V.E. Shock­Wave Phenomena and the Properties of Condensed Matter. Springer, 2004.

36.      Antoun T., Seaman L., Curran D.R., Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V. Spall Fracture (Shock Wave and High Pressure Phenomena), Springer. 2003.

37.       Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177. № 8. С. 809–830.

38.      Мисочко О.В. Неклассические состояния возбуждений кристаллической решётки: сжатые и запутанные фононы // УФН. 2013. Т. 183. № 9. С. 917–933.

39.      Zijlstra E.S., Kalitsov A., Zier T., Garcia M.E. Squeezed thermal phonons precurse nonthermal melting of silicon as a function of fluence // Phys. Rev. X. 2013. V. 3. P. 011005.

40.      Gamaly E.G. Rode A.V. Ultrafast electronic relaxation in superheated bismuth // New J. Phys. 2013. V. 15. P. 013035.

41.       Khakshouri, S., Alfe D., Duffy D.M. Development of an electron­temperature­dependent interatomic potential for molecular dynamics simulation of tungsten under electronic excitation //  Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 224304.

42.      Sin’ko, G.V., Smirnov N.A., Ovechkin A.A., Levashov P.R., Khishchenko K.V. Thermodynamic functions of the heated electron subsystem in the field of cold nuclei // High Energy Density Physics. 2013. V. 9. P. 309–314.

43.      Kresse G., Furthmuller J. Efficiency of ab initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane­wave basis set // Computational Materials Science. 1996. V. 6. P. 15–50.

44.      Norman, G., Saitov, I., Stegailov, V., and Zhilyaev, P. Atomistic modeling and simulation of warm dense matter. conductivity and reflectivity // Contributions to Plasma Physics. 2013. V. 53. № 4–5. P. 300–310.

45.      Knyazev D.V. and Levashov P. R. Ab initio calculation of transport and optical properties of aluminum: Influence of simulation parameters // Computational Materials Science. 2013. V. 79. P. 817–829.

46.      Evans R., Badger A.D., Fallies F., Mahdieh M., Hall T.A., Audebert P., Geindre J.­P., Gauthier J.­C., Mysyrowicz A., Grillon G., Antonetti A. Time­ and Space­Resolved Optical Probing of Femtosecond­Laser­Driven Shock Waves in Aluminum // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3359–3362.

47.      Gahagan K.T., Moore D.S., Funk D.J., Rabie R.L., Buelow S.J., Nicholson J.W. Measurement of shock wave rise times in metal thin films // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 3205–3208.

48.      Funk D.J., Moore D.S., Gahagan K.T., Buelow S.J., Reho J.H., Fisher G.L., Rabie R.L. Ultrafast measurement of the optical properties of aluminum during shock­wave breakout // Phys. Rev. B. 2011. V. 64. № 8. P. 115114.

49.      Ashitkov S., Komarov P., Agranat M., Kanel G., Fortov V. Measurements of a strength of metals in a picosecond time range // Bulletin of the American Physical Society. 2013. V. 58. № 7. P. 187–188.

50.      Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E., Bolme C.A., Moore D.S., Bingert, J.F. The elastic­plastic response of al films to ultrafast laser­generated shocks // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 013505.

51.       Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B., Zaug J.M., Behymer E.M. Invariance of the Dissipative Action at Ultrahigh Strain Rates Above the Strong Shock Threshold // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 144302.

52.      Жаховский В.В., Иногамов Н.А. Упругопластические явления в ультракоротких ударных волнах // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. № 8. С. 574–579.

53.      Zhakhovsky V.V., Budzevich M.M., Inogamov N.A., Oleynik I.I., White C.T.  Two­zone elastic­plastic single shock waves in solids // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. № 13. P. 135502 [1–4].

54.      Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Хохлов В.А., Шепелев В.В. Сверхупругость и распространение ударных волн в кристаллах // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 93. № 4. С. 245–251.

55.      Huang L., Yang Y., Wang Y., Zheng Z., Su W. Measurement of transit time for femtosecond­laser­driven shock wave through aluminium films by ultrafast microscopy // J. Phys. D. 2009. V. 42. P. 045502.

56.      Demaske B., Zhakhovsky V., Inogamov N., White C.,  Oleynik I. Split and two­zone elastic­plastic shock waves in nickel:  a MD study // Bulletin Amer. Phys. Soc. 2013. V. 58. № 7. P. 151–152.

57.       Inogamov N., Ashitkov S., Zhakhovsky V., Shepelev V., Khokhlov V., Komarov P., Agranat M. Anisimov S., Fortov V. Acoustic probing of two­temperature relaxation initiated by action of ultrashort laser pulse // Appl. Phys. A. 2010. V. 101. P. 1–5.

58.      Inogamov N., Zhakhovsky V., Ashitkov S., Khokhlov V., Shepelev V., Komarov P., Ovchinnikov A., Sitnikov  D.,  Petrov  Y.,  Agranat  M., Anisimov  S., Fortov V.  Laser  acoustic  probing  of  two­temperature zone created by femtosecond pulse // Contributions to Plasma Physics. 2011. V. 51. № 4. P. 367–374.

59.      Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Эмиров Ю.Н., Агранат М.Б., Олейник И.И., Анисимов С.И., Фортов В.Е. Образование нанополостей в поверхностном слое алюминиевой мишени при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов //Письма в ЖЭТФ 2012. Т. 95. № 4. С. 192­197.

60.      Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Nishihara K.  Laser ablation and spallation of crystalline aluminum simulated by molecular dynamics // J. Phys.: Conf. Ser. 2008. V. 112. P. 042080.

61.       Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Nishihara K. Новый механизм формирования нанорельефа поверхности, облученной фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т.  87. № 8. С. 491–496.

62.      arXiv:DC/0405086v1 24 May 2004.

63.      Kuznetsov A., Koch J., Chichkov B. Nanostructuring of thin gold films by femtosecond lasers // Appl. Phys. A. 2009. V. 94. P. 221–230.

64.      Ivanov D., Kuznetsov A., Lipp V., Rethfeld B., Chichkov B., Garcia M., Schulz W. Short laser pulse nanostr.of metals: direct comp.of md modeling and experiment // Appl. Phys. A. 2013. V. 111. P.  675687.

65.      Nakata Y., Tsuchida K., Miyanaga N., Okada T. Nano­sized and periodic structures generated by interfering femtosecond laser // JLMN­Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 2008. V. 3. № 2. P. 63–66

Полный текст