УДК: 538.913, 538.971

Исследование механизма короткоимпульсной лазерной абляции монокристаллических и поликристаллических металлических мишеней методом молекулярной динамики

Иванов Д.С., Липп В.П., Ретфельд Барбель, Гарсия М.Э.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Иванов Д.С., Липп В.П., Ретфельд Б., Гарсия М.Э. Исследование механизма короткоимпульсной лазерной абляции монокристаллических и поликристаллических металлических мишеней методом молекулярной динамики // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 5. С. 27–31.

Ivanov D.S., Lipp V.P., Rethfeld B., Garcia M.E. Molecular-dynamics study of the mechanism of short-pulse laser ablation of single-crystal and polycrystalline metallic targets [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2014. V. 81. № 5. P. 27–31.

Ссылка на англоязычную версию:

D. S. Ivanov, V. P. Lipp, B. Rethfeld, and M. E. Garcia, "Molecular-dynamics study of the mechanism of short-pulse laser ablation of single-crystal and polycrystalline metallic targets," Journal of Optical Technology. 81(5), 250-253 (2014). https://doi.org/10.1364/JOT.81.000250

Аннотация:

Короткоимпульсное лазерное излучение, сфокусированное на поверхность материала, может вызывать одновременно большое число неравновесных процессов, взаимосвязанных между собой и протекающих в субмикронном интервале во временном диапазоне нескольких пикосекунд. В реализующихся экстремальных условиях механизм абляции, индуцируемой в твердом веществе, чрезвычайно сложен и до сих пор вызывает множество противоречивых интерпретаций. Одним из возможных способов для исследования ее механизма в условиях сильного неравновесия является метод молекулярной динамики. На основе этого метода в данной работе использована гибридная атомистически-непрерывная модель для описания взаимодействия пикосекундного лазерного импульса с моно- и поликристаллической мишенями из золота. Исследована кинетика и механизм индуцируемой абляции. Выявлены различия, и определены их причины.

Ключевые слова:

молекулярная динамика, лазерная абляция, спалляция, поликристаллические мишени, электрон-фононное взаимодействие

Коды OCIS: 000.6800, 140.3390, 140.7090, 160.3900

Список источников:

1. Chichkov B.N., Momma C., Nolte S., von Alvensleben F., and Tuennermann A. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids// Appl. Phys. A. 1996.V. 63. P. 109–115.
2. Leitz K.-H., Redlingshöfer B., Reg Y., A. Schmidt Otto and M. Metal ablation with short and ultrashort laser pulses // Physics Procedia 2011. V. 12. P. 230–238.
3. Anisimov S. I., Kapeliovich B. L. and Perel’man T. L. Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses // Sov. Phys. JETP 1974. V. 39. P. 375–377.
4. Hostetler J.L., Smith A.N., and Norris P.M. Thin film thermal conductivity and thickness measurements using picosecond ultrasonics // Microscale Thermophysical Engineering. 1997. V. 1. P. 237–244.
5. Ivanov D.S. and Zhigilei L.V. Effect of pressure relaxation on the mechanisms of short-pulse laser melting // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. 105701.
6. Rethfeld B., Sokolowski-Tinten K., von der Linde D. and Anisimov S.I. Ultrafast thermal melting of laser-excited solids by homogeneous nucleation // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. 092103.

7. Hohlfeld J., Wellershoff S.-S., Gudde J., Conrad U., Jahnke V. and Matthias E. Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals // Chem. Phys. 2000. V. 251. P. 237–258.
8. Ivanov D.S. and Rethfeld B.C. The effect of pulse duration on the character of laser heating: photo-mechanical vs. photo-thermal damage of metal targets // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9724–9728.
9. Ivanov D.S. and Zhigilei L.V. Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. 064114.
10. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I. Nishihara and K. Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9592–9596.
11. Ivanov D.S., Kuznetsov A.I., Lipp V.P., Rethfeld B., Chichkov B.N., Garcia M.E. and Schulz W. Short laser Pulse surface nanostructuring on thin metal films: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment // Appl. Phys. A. 2013.V. 111. P. 675–687.
12. Palomba S. and Palmer R. E. Patterned films of size-selected Au clusters on optical substrates // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. 044304.
13. Schäfer C., Urbassek H.M., Zhigilei L.V. and Garrison B.J. Pressure-transmitting boundary conditions for molecular dynamics simulations // Comp. Mater. Sci. 2002. V. 24. P. 421–429.
14. Zhigilei L.V., Lin Z, and Ivanov D.S. Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metals: connections between melting, spallation, and phase explosion // J. Chem. Phys. 2009. V. 113. P. 11892–11906.
15. Jarmakani H., Maddox B., Wei C.T., Kalantar D. and Meyers M.A. Laser shock-induced spalling and fragmentation in vanadium // Acta Materialia. 2010. V. 58. P. 4604–4628.
16. Ivanov D.S., Veiko V.P., Jakovlev E., Rethfeld B. and Garcia M.E. Molecular dynamics study of the short laser pulse ablation: quality and efficiency in production // submitted to Appl. Phys. A. 2014.
17. Hopkins P.E., Norris P.M., Phinney L.M., Policastro S.A., and Kelly R.G. Thermal conductivity in nanoporous gold films during electron-phonon nonequilibrium // J. of Nanomaterials 2008. 2008. 418050.