Численное исследование динамики нагрева золота ультракороткими дихроматическими импульсами лазерного излучения

Изучены процессы взаимодействия фемтосекундных импульсов лазерного излучения умеренной интенсивности с металлами на примере золота. Основное внимание уделено исследованию дихроматических режимов лазерного воздействия, что соответствует новой тенденции в области лазерной обработки материалов. На основе двухтемпературного приближения разработана модель, в которую введен дихроматический источник энергии лазерного излучения, а также учтено влияние температуры электронов на коэффициент отражения облучаемого материала и теплофизические свойства его электронной подсистемы. Для численной реализации модели создана неявная дивергентная конечно-разностная схема с улучшенным методом описания процесса плавления в сравнении с предыдущими работами. Расчеты по модели показали, что поглощение энергии золотом зависит от последовательности воздействия двух импульсов на разных длинах волн и времени задержки между ними, а для корректного описания поглощенной энергии необходимо учитывать изменение коэффициента отражения поверхности в процессе облучения. Разработанная модель может представлять интерес для оптимизации процессов обработки материалов ультракороткими дихроматическими лазерными импульсами.

1. Bauerle D. W. Laser Processing and Chemistry. Berlin, Springler-Verlag, 2000, 649 p.

2. 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.

3. Булгаков А. В., Булгакова Н. М., Бураков И. М. и др. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2009. 462 с.

4. Guo B., Sun J., Hua Y., Zhan N., Jia J., Chu K. Femtosecond laser micro/nanomanufacturing: Theories, measurements, methods, and applications. Nanomanufacturing and Metrology, 2020, vol. 3, p. 26–67.

5. 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.

6. Korte F., Nolte S., Chichkov B. N., Bauer T., Kamlage G., Wagner T., Fallnich C., Wel ling H. Far-field and near field material processing with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A., 1999, vol. 69, p. S7–S11.

7. Bulgakova N. M., Bourakov I. M. Phase explosion under ultra-short laser ablation: Modeling with analysis of metastable state of melt. Appl. Surf. Sci., 2002, vols. 197–198, p. 41–44.

8. 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.

9. Eliezer S., Eliaz N., Grossman E., Fisher D., Gouzman I., Heniz Z., Pecker S., Horovitz Y., Fraenkel M., Maman S., Lereah Y. Synthesis of nanoparticles with femtosecond laser pulses. Phys. Rev. B., 2004, vol. 69, p. 144119.

10. Sibbett W., Lagatsky A. A., Brown C. The development and application of femtosecond laser systems. Opt. Express, 2012, vol. 17, p. 6989–7001.

11. Bulgakova N. M., Bulgakov A. V., Bourakov I. M., Bulgakova N. A. Pulsed laser ablation of solids and critical phenomena. Appl. Surf. Sci., 2002, vols. 197–198, p. 96–99.

12. 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., SokolowskiTinten 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, p. 1451–1454.

13. Kumata M., Tsujikawa S., Simiyoshi T., Sekita H. Dual wavelength femtosecond material processing. Proceedings of CLEO/QELS, 2007, vols. 1–5, p. 1207–1208.

14. Zoppel S., Merz R., Zehetner J., Reider G. A. Enhancement of laser ablation yield by two color excitation. Appl. Phys. A., 2005, vol. 81, p. 847–850.

15. Sugioka K., Akane T., Obata K., Toyoda K., Midorikava K. Multiwavelength excitation processing using F2 and KrF excimer lasers for precision microfabrication of hard materials. Appl. Surf. Sci., 2002, vols. 197–198, p. 814–821.

16. Zhao W., Wang W., Mei X., Jiang G., Liu B. Investigations of morphological features of picosecond dual-wavelength laser ablation of stainless steel. Opt. Laser. Technol., 2014, vol. 58, p. 94–99.

17. Tan B., Venkatkrishnan K., Sivakumar N. R. Laser drilling of thick material using femtosecond pulse with a focus of dual-frequency beam. Opt. Laser. Technol., 2003, vol. 35, p. 199–202.

18. Witanachchi S., Ahmed K., Sakthivel P., Mukherjee P. Dual-laser ablation for particulatefree film grouth. Appl. Phys. Lett., 1995, vol. 6, p. 1469–1471.

19. Bulgakova N. M., Zhukov V. P., Collins A. R., Rostohar D., Derrien T. J.-Y., Mocek T. How to optimize ultrashort pulse laser interaction with glass surfaces in cutting regimes? Appl. Surf. Sci., 2015, vol. 336, p. 364–374.

20. Анисимов С. И., Капелиович Б. Л., Перельман Т. Л. Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких лазерных импульсов // Журн. эксперим. и теорет. физики. 1974. Т. 66. С. 776–781.

21. Lin Z., Zhigilei L. V. Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon nonequilibrium. Phys. Rev. B., 2008, vol. 77, p. 075133.

22. Ivanov D. S., Rethfeld B. The effect of pulse duration on the interplay of electron heat conduction and electron-phonon interaction: Photo-mechanical versus photo-thermal damage of metal targets. Appl. Surf. Sci., 2009, vol. 255, p. 9724–9728.

23. Shugaev M. V., He M., Lizunov S. A., Levy Y., Derrien T. J.-Y., Zhukov V. P., Bulgakova N. M., Zhigilei L. V. Insights into laser-materials interaction through modeling on atomic and macroscopic scales. In: Advances in the Application of Lasers in Materials Science, Springer Series in Materials Science. Ed. by P. M. Ossi. Cham, Switzerland, Springer, 2018, vol. 274, chapter 5, p. 107–148.

24. Булгакова О. А. Численное моделирование импульсной лазерной абляции сложных полупроводников на примере теллурида кадмия. Выпускная квалификационная работа магистра / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2012.

25. Бураков И. М. Теоретическое исследование механизмов и динамики фемтосекундной лазерной абляции: Дис. … канд. физ.-мат. наук. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2005.

26. Dresselhaus M. S. Solid State Physics. Part II: Optical Properties of Solids. MIT Solid State Physics Course, 2001.

27. Bulgakova N. M., Bulgakov A. V., Babich L. P. Energy balance of pulsed laser ablation: Thermal model revised. Appl. Phys. A., 2004, vol. 79, p. 1323–1326.

28. Shugaev M. V., Bulgakova N. M. Thermodynamic and stress analysis of laser-induced forward transfer of metals. Appl. Phys. A., 2010, vol. 101, p. 103–109.

29. Pronko P. P., Dutta S. K., Du D., Singh R. K. Thermophysical effects in laser processing of materials with picosecond and femtosecond pulses. J. Appl. Phys., 1995, vol. 78, p. 6233-6240.