nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2022-17-4-5-17nguphys-223Research ArticleКВАНТОВАЯ ОПТИКА, КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКАQUANTUM OPTICS, QUANTUM ELECTRONICSО возможном механизме усиления поглощения мощного лазерного излучения в металлеOn Possible Mechanism of Enhancement of Absorption of Powerful Laser Radiation by MetalsЖуковВ. П.ZhukovV. P.

Жуков Владимир Петрович, доктор физико-математических наук

Новосибирск

Vladimir P. Zhukov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics)

Novosibirsk

zukov@ict.nsc.ruФедеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий; Новосибирский государственный технический университетРоссияFederal Research Center for Information and Computational Technologies; Novosibirsk State Technical UniversityRussian Federation202210052023174517Copyright © Жуков В.П., 20232023Жуков В.П.Zhukov V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/223

В работе показано, что зависимость массы электронов проводимости металла от их энергии может служить причиной увеличения поглощения лазерного излучения большой мощности, падающего на этот металл. Для этого решена задача об отклике (токе) электрона, находящегося в одномерном периодическом потенциале (решетке) на периодическое во времени электрическое поле (электромагнитную волну). Показано, что при достаточно большой амплитуде поля зависимость тока от неё становится нелинейной. Причем в определенном диапазоне параметров эта зависимость может быть описана простой формулой, которая соответствует зависимости массы электрона от его энергии. Формула использована для решения задачи о проникновении электромагнитной волны в металл в рамках модифицированной соответствующим образом модели Друде. Показано, что нелинейная зависимость тока от амплитуды поля приводит к увеличению поглощения волны и образованию шлейфа волн с околоплазменными частотами, проникающих в глубь металла. Обсуждаемые эффекты проявляются при напряженностях электрического поля порядка 1 В/Ангстрем. Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации экспериментальных данных и создании математических моделей взаимодействия мощного лазерного излучения с металлом.

In this work, it is shown that the dependence of the mass of conductive band electrons in a metal on their energy can be a reason of enhancement of the absorption of powerful laser radiation by the metal. To do this, a problem of response (current) of the electron placed in one-dimension periodic potential (lattice) to an electric field periodic in time (electromagnetic wave) is solved. The solution shows that for sufficiently large amplitude of the wave the dependence of the electron current on the wave amplitude becomes non-linear. Within a certain rangе of parameters, this dependence can be described by a simple formula that corresponds to the dependence of the electron mass on its energy. The formula was used for solving the problem of penetration of electromagnetic wave into a metal with the approach of modified Drude model. The non-linearity results in the enhancement of the wave absorption and generation of wave with frequencies close to those of plasma penetrating deep into the metal. The discussed effects manifest themselves in electric fields about. 1 V/Angstrom. The obtained results can be used in the interpretation of experiments data and in the creation of mathematical modeling of the interaction of powerful laser radiation with metal.

взаимодействие лазерного излучения с металламимощный лазерный импульснелинейные оптические эффектымодель Друдеlaser-metal interactionhigh-power laser pulsenonlinear optic effectsDrude modelАвтор выражает благодарность Н.М. Булгаковой, Т. Дирену (T. J.Y. Derrien), С.А. Лизунову за полезные обсуждения.ReferencesBauerle D. W. Laser Processing and Chemistry. Berlin: Springler-Verlag, 2000. 649 p.Bauerle D. W. Laser Processing and Chemistry. Berlin: Springler-Verlag, 2000. 649 p.Pique A., Kim H., Arnold C. B. Laser forward transfer of electronic and power generating materials, In: Laser Ablation and its Application//C. Phipps (Ed.). 2007. P. 339–373.Pique A., Kim H., Arnold C. B. Laser forward transfer of electronic and power generating materials, In: Laser Ablation and its Application; Ed. C. Phipps. 2007, pp. 339–373.Guo B., Sun J., Hua Y., Zhan N., Jia J., Chu K. Femtosecond laser micro/nano-manufacturing: Theories, measurements, methods, and applications // Nanomanufacturing and Metrology. 2020. Vol. 3. P. 26–67.Guo B., Sun J., Hua Y., Zhan N., Jia J., Chu K. Femtosecond laser micro/nano-manufacturing: Theories, measurements, methods, and applications. Nanomanufacturing and Metrology, 2020, vol. 3, pp. 26–67.Gamaly E. G., Rode A. V. Physics of ultra-short laser interaction with matter: From phonon excitation to ultimate transformations // Prog. Quant. Electron. 2013. Vol. 37. P. 215–323.Gamaly E. G., Rode A. V. Physics of ultra-short laser interaction with matter: From phonon excitation to ultimate transformations. Prog. Quant. Electron, 2013, vol. 37, pp. 215-323.Булгаков А. В., Булгакова Н. М., Бураков И. М. и др. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество // Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. 462 с.Bulgakov A. V., Bulgakova N. M., Burakov I. M. et al. Nanosized material synthesis by action of high-power energy fluxes on matter. Novosibirsk, Institute of Thermophysics SB RAS, 2009, 462 p. (in Russ.)Korte F., Nolte S., Chichkov B. N., Bauer T., Kamlage G., Wagner T., Fallnich C., Welling H. Far-field and near field material processing with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 1999. Vol. 69.P. S7–S11.Korte F., Nolte S., Chichkov B. N., Bauer T., Kamlage G., Wagner T., Fallnich C., Welling H. Far-field and near field material processing with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A., 1999, vol. 69, pp. 7–11.Mo M. Z., Chen Z., Li R. K., Dunning M., Witte B. B. L., Baldwin J. K., Fletcher L. B., Kim J. B., Ng A., Redmer R., Reid A. H., Shekhar P., Shen X. Z., Shen M., Sokolowski-Tinten K., Tsui Y. Y., Wang Y. Q., Zheng Q., Wang X. J., Glenzer S. H. Heterogeneous to homogeneous melting transition visualized with ultrafast electron diffraction // Science. 2018. Vol. 360. Is. 6396. P. 1451-1454.Mo M. Z., Chen Z., Li R. K., Dunning M., Witte B. B. L., Baldwin J. K., Fletcher L. B., Kim J. B., Ng A., Redmer R., Reid A. H., Shekhar P., Shen X. Z., Shen M., Sokolowski-Tinten K., Tsui Y. Y., Wang Y. Q., Zheng Q., Wang X. J., Glenzer S. H. Heterogeneous to homogeneous melting transition visualized with ultrafast electron diffraction. Science, 2018, vol. 360, iss. 6396, pp. 1451–1454.Vorobyev A. Y., Guo C. Reflection of femtosecond laser light in multipulse ablation of metals // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 043102.Vorobyev A. Y., Guo C. Reflection of femtosecond laser light in multipulse ablation of metals. J. Appl. Phys., 2011, vol. 110, 043102.Лизунов С. А., Жуков В. П., Булгаков А. В., Булгакова Н. М. Численное исследование динамики нагрева золота ультракороткими дихроматическими импульсами лазерного излучения // Сибирский физический журнал. 2021. Т. 16, вып. 1. С. 5–20. Siberian Journal of Physics, 2021, vol. 16, no. 1 A Numerical Study of the Dynamics of Gold Heating by Ultra-Short Dichromatic Laser Pulses S. A. Lizunov, V. P. Zhukov, A. V. Bulgakov, N. M. BulgakovaLizunov S. A., Zhukov V. P., Bulgakov A. V., Bulgakova N. M. A Numerical Study of the Dynamics of Gold Heating by Ultra-Short Dichromatic Laser Pulses. Siberian Journal of Physics, 2021, vol. 16, no. 1.Wellershoff S.-S, Hohlfeld J., Gudde J., Matthias E. The role of electron-phonon coupling in femtosecond laser damage of metals // Appl. Phys. A. 1999. Vol. 69. P. S99–S107.Wellershoff S.-S, Hohlfeld J., Gudde J., Matthias E. The role of electron-phonon coupling in femtosecond laser damage of metals. Appl. Phys. A., 1999, vol. 69, pp. 99–107.Wen C.-D., MudawarI. Modeling the effects of surface roughness on the emissivity of aluminum alloys // Intern. J. Heat Mass Transfer. vol. 49, pp. 4279–4289, 2006.Wen C.-D., Mudawar I. Modeling the effects of surface roughness on the emissivity of aluminum alloys. Intern. J. Heat Mass Transfer, vol. 49, pp. 4279-4289, 2006.Uemoto M., Kurata S., Kawaguchi N., Yabana K. First-principles study of ultrafast and nonlinear optical properties of graphite thin films//ArXiv:2009.01979v2 [physics.optics] 9 Jan 2021 14 p.Uemoto M., Kurata S., Kawaguchi N., Yabana K. First-principles study of ultrafast and non-linear optical properties of graphite thin films. ArXiv:2009.01979v2 [physics.optics] 9 Jan 2021. 14 p.Ren Y., Chen J., Zhang Y., Huang J. Ultrashort laser pulse energy deposition in metal films with phase changes //Appl. Phys. Let. 2011. vol. 98. paper 191105.Ren Y., Chen J., Zhang Y., Huang J. Ultrashort laser pulse energy deposition in metal films with phase changes. Appl. Phys. Let., 2011, vol. 98, 191105.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.