Сверхбыстрая динамика конденсированной фазы

Сверхбыстрая динамика конденсированной фазы под действием ультракоротких лазерных импульсов

Нами выполнялись экспериментальные время-разрешенные исследования динамики электронной и решеточной подсистем, фазовой динамики и динамики поверхностной абляционной плазмы на поверхности и в объеме материалов, возбуждаемых ультракороткими лазерными импульсами для определения фундаментальных механизмов обработки материалов и их ключевых физических параметров. Впервые обнаружены пикосекундные реверберации акустической волны в короткоживущей пленке расплава материалов, что позволило впервые изучить не толко динамику плавления, но и абляции расплава. Предложены методы исследования сверхинтенсивной электронной и ионной эмиссии с поверхности материалов под действием ультракоротких лазерных импульсов с использованием буферных газовых сред. Разработаны и применены в экспериментах методы возбуждения ультракороткими лазерными импульсами ультраинтенсивных (вплоть до нескольких ТПа) ударных волн на поверхностях твердых материалов и их количественной регистрации.
В частности, в ходе исследований генерации периодических поверхностных наноструктур под действием УКИ с слабоподпороговыми плотностями энергии были впервые обнаружены не регулярные последовательности бороздок нанорельефа, а двумерные массивы нанопичков, причем последние периодически возникают на линиях максимумов интерференции «УКИ-ПЭВ» в результате кавитационной неустойчивости поверхностного расплава (ранее, в рамках расчетов с помощью метода молекулярной динамики была предсказана возможность формирования непериодического нанорельефа). Микроскопический механизм кавитационной динамики, предшествующей формированию нанопичков в результате частичного «замороженного» откола части поверхностной пленки расплава, а также других – фрагментационного и ионизационого - механизмов абляции твердых материалов под действием УКИ был впервые изучен нами с помощью оптической микроскопии с временным разрешением. Данные исследования впервые показали возможность мониторинга движения фронта плавления в материале путем наблюдения акустических ревербераций в поверхностной пленке расплава с акустическим импедансом, отличным от импеданса твердого материала, а также движения области кавитации от поверхности в объем расплава ввиду охлаждения поверхности при ее адиабатическом расширении с последующим отколом-выталкиванием с поверхности мишени охлажденного поверхностного слоя на суб-наносекундных временах, по-видимому, благодаря, в основном, не циркулирующим в расплаве волнам напряжений (разрежения), а давлению пара в подповерхностной области кавитации (нанопене). При более высоких плотностях энергии УКИ отмечена необратимое фрагментационное удаление более высокотемпературного поверхностного слоя расплава.
Фрагментационный механизм поверхностной абляции твердых материалов под действием УКИ, а также более высокоэнергетичный механизм их абляции через прямую ионизацию были также изучены, используя метод бесконтактной широкополосной ультразвуковой диагностики, адаптированный для регистрации сверхмощных ударных волн (УВ), генерируемых при абляции с помощью УКИ. Известно, что при пробеге сверхмощных УВ в материалах в результате ударно-волнового нагружения в последних происходят процессы пластической деформации (упругопластический переход) и полиморфных превращений, постепенно значительно трансформирующие профиль распространяющейся УВ даже в довольно тонких мишенях (субмикронной и микронной толщины), что оказывается особенно существенным при генерации сверхмощных УВ в ходе абляции мишеней под действием высокоинтенсивных УКИ с пиковыми интенсивностями 0.1-1 ПВт/см². Поэтому, нами был предложен новый подход к исследованию сверхмощных УВ, генерируемых при абляции материалов высокоинтенсивными УКИ, путем наблюдения эволюции ударной волны в граничащей с ней среде с высокой ударно-волновой и оптической прочностью, например, в атмосфере воздуха. Нами была реализована экспериментальная схема регистрации сверхмощных УВ с помощью метода бесконтактной широкополосной ультразвуковой диагностики путем наблюдения распространения ударной волны в воздухе от аблируемой поверхности до широкополосного пьезоэлектрического приемника, свободная от размерного эффекта для толщины мишени, в том числе позволяя исследовать in situ с микронным пространственным разрешением совершенно различные типы материалов с различными профилями поверхностного рельефа. Были проведены настольные исследования сверхмощных ударных волн суб- и мультимегабарного уровня, возбуждаемых на поверхности алюминия при ее абляции в атмосфере воздуха высокоинтенсивными (£ 1 ПВт/см²) линейно поляризованными УКИ. Оценки начального давления и скорости ударной волны (абляционного факела) хорошо согласуются с данными литературы, полученными с использованием различных методов для ударных волн, распространяющихся внутри аблируемой мишени.

1. А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, С.В. Макаров, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Генерация и регистрация сверхмощных ударных волн при абляции поверхности алюминия под действием высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ 94(1), 35-39 (2011).
2. A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn,Generation and Detection of Superstrong Shock Waves during Ablation of an Aluminum Surface by Intense Femtosecond Laser Pulses // JETP Lett. 94 (1), 34-38 (2011).
3. A.A. Ионин, С.И. Кудряшов, А.Е. Лигачев, С.В. Макаров, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Наномасштабная кавитационная неустойчивость поверхности расплава вдоль штрихов одномерных решеток нанорельефа на поверхности алюминия // Письма в ЖЭТФ 94 (4), 289-292 (2011).
   A. A. Ionin, S. I. Kudryashov, A. E. Ligachev, S. V. Makarov, L. V. Seleznev, and D. V. Sinitsyn, Nanoscale cavitation instability of the surface melt along the grooves of one-dimensional nanorelief gratings on an aluminum surface // JETP Letters 94 (4), pp. 266–269 (2011).
4. A.A. Ионин, С.И. Кудряшов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Динамика откольной абляции поверхности GaAs под действием фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ 94 (10), 816-822 (2011).
   A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, Dynamics of the Spallation Ablation of a GaAs Surface Irradiated by Femtosecond Laser Pulses // JETP Lett. 94, 753 (2011).
5. T. Apostolova, A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, Self-limited ionization in band-gap renormalized GaAs at high femtosecond laser intensities // Opt. Eng. 51 (12), 121808 (2012).
6. A.A. Ионин, С.И. Кудряшов, С.В. Макаров, П.Н. Салтуганов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, А.Р. Шарипов, Сверхбыстрая электронная динамика поверхности кремния, возбужденной интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ 96 (6), 413-418 (2012).
   A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, P.N. Saltuganov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, A.R. Sharipov, Ultrafast Electron Dynamics on the Silicon Surface Excited by an Intense Femtosecond Laser Pulse // JETP Lett. 96, 375-379 (2012).
7. A.A. Ионин, С.И. Кудряшов, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, А.Ф. Бункин, В.Н. Леднев, С.М. Першин, Термическое плавление и абляция поверхности кремния фемтосекундным лазерным излучением // ЖЭТФ 143, №3, 403-422 (2013).
   A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, A.F. Bunkin, V.N. Lednev, S.M. Pershin, Thermal melting and ablation of silicon surface by femtosecond laser pulses // JETP 116, №3, 347-362 (2013).
8. Vasily N. Lednev, Sergey M. Pershin, Andrey A. Ionin, Sergey I. Kudryashov, Sergey V. Makarov, Alexander E. Ligachev, Andrey A. Rudenko, Roman A. Chmelnitsky, Alexey F. Bunkin, Laser ablation of polished and nanostructured titanium surfaces by nanosecond laser pulses // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 88, 15-19 (2013).