О возможном механизме усиления поглощения мощного лазерного излучения в металле
https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-4-5-17
Аннотация
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.
Ключевые слова
взаимодействие лазерного излучения с металлами,
мощный лазерный импульс,
нелинейные оптические эффекты,
модель Друде
При поддержке: Автор выражает благодарность Н.М. Булгаковой, Т. Дирену (T. J.Y. Derrien), С.А. Лизунову за полезные обсуждения.
Об авторе
В. П. Жуков
Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий; Новосибирский государственный технический университет
Россия
Россия
Жуков Владимир Петрович, доктор физико-математических наук
Новосибирск
Список литературы
1. Bauerle D. W. Laser Processing and Chemistry. Berlin: Springler-Verlag, 2000. 649 p.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Vorobyev A. Y., Guo C. Reflection of femtosecond laser light in multipulse ablation of metals // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 043102.
9. 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. Bulgakova
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
Рецензия
Для цитирования:
Жуков В.П. О возможном механизме усиления поглощения мощного лазерного излучения в металле. Сибирский физический журнал. 2022;17(4):5-17. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-4-5-17
For citation:
Zhukov V.P. On Possible Mechanism of Enhancement of Absorption of Powerful Laser Radiation by Metals. SIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS. 2022;17(4):5-17. (In Russ.) https://doi.org/10.25205/2541-9447-2022-17-4-5-17
Просмотров:
379
Послать статью по эл. почте 