Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Комаров Павел Сергеевич
СВОЙСТВА НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ И ДИНАМИКА УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ НАГРЕВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
Специальность 01.04.08 - физика плазмы
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединённом институте высоких температур РАН.
Научный консультант: доктор физико-математических наук М.Б. Агранат.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.Б. Савельев-Трофимов, кандидат физико-математических наук В.С. Зиборов.
Ведущая организация: Институт Общей Физики РАН.
Защита состоится л___ ____________ 2012 г. в ___ ч. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 в Федеральном государственном учреждении науки Объединённом институте высоких температур Российской академии наук по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, Экспозиционный зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН, учёному секретарю диссертационного совета Д 002.110.02.
Телефон для справок: 8(495)485-79-77.
Автореферат разослан л___ __________ 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, д. ф. -м. н.
й Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 20
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Неидеальная плазма с плотностью, близкой к твердотельной, высокой кратностью ионизации и высокой температурой (до ~ 103 эВ) является сложным объектом для теоретического исследования. Это происходит из-за того, что сильное межчастичное взаимодействие затрудняет применение традиционных методов теоретической физики. Для построения достоверных численных моделей необходимо наличие результатов экспериментальных исследований.
Вследствие малой длительности импульса и фокусировки излучения в пятно размером до нескольких микрометров могут достигаться сверхсильные световые поля с интенсивностью до 10191020 Вт/см2, недоступные для получения другими методами. Использование фемтосекундных импульсов высокой интенсивности делает возможным изучение фундаментальных свойств вещества в экстремальных и сильно неравновесных состояниях.
Воздействие фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10141015 Вт/см2 на твердотельные мишени приводит к образованию в тонком приповерхностном слое на начальной стадии (~10-1310-12 c) неидеальной плазмы с температурой 10100 эВ [1-6], плотностью, близкой к твердотельной, и высокой кратностью ионизации. Полученная таким способом, плазма представляет собой большой научный интерес, но экспериментальные исследования ее затруднены, так как требуют проведения измерений в субпикосекундном временном интервале от начала действия нагревающего лазерного импульса в условиях неразвитого гидродинамического разлёта.
Одним из экспериментальных методов исследования свойств плазмы является оптический метод измерения параметров комплексного коэффициента отражения. Диагностика плазмы с помощью pump-probe-методики, позволяет получать данные с высокой точностью в субпикосекундном временном интервале.
Полученные результаты позволят определять параметры (оптические свойства и коэффициенты переноса) неоднородной плазмы в условиях неразвитого гидродинамического разлета в субпикосекундном временном интервале.
При воздействии фемтосекундного лазерного излучения на металлы, кроме образования плазмы (при интенсивностях выше ~1013 Вт/см2), происходит быстрый лазерный нагрев вещества при недостаточном времени для его расширения. Это приводит к росту давления, что в свою очередь приводит к появлению волны сжатия, распространяющейся вглубь облучаемой мишени. Отражение импульса сжатия от свободной поверхности тела приводит к появлению растягивающих напряжений во внутренних сечениях испытуемого образца. Диагностика ударно-волновых явлений и определение величин динамического предела упругости и растягивающего напряжения при отколе осуществляются путем измерения профиля скорости свободной поверхности мишени.
Мощные фемтосекундные лазерные импульсы в этом отношении представляются уникальным инструментом как для создания ударной нагрузки ультракороткой длительности, так и для диагностики быстропротекающих процессов в момент образования и начальной стадии выхода ударной волны на поверхность тонкой мишени. Создаваемые мощными фемтосекундными лазерами скорости деформирования вещества на порядки превышают скорости, которые могут быть получены путем механического воздействия. Таким путем можно получать рекордные величины скоростей растяжения, исследовать прочностные свойства материалов при приближении прочности к лидеальной.
Цель работы Целью работы является экспериментальное исследование параметров неидеальной плазмы и ударно-волновых процессов, возникающих при воздействии на металлические мишени фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10131015 Вт/см2, а также исследование прочностных свойств металлов в условиях высокоскоростного деформирования.
Для достижения поставленных целей в настоящей работе решаются следующие задачи:
1. Разработка методики, создание экспериментальной схемы для измерения динамики высокоскоростных деформаций поверхности мишени при выходе лазерноиндуцированной ударной волны.
2. Проведение экспериментальных исследований генерации ударных волн при воздействии на металлические пленки фемтосекундных лазерных импульсов.
3. Проведение исследований прочностных свойств металлов при экстремально высоких (более 109 с-1) скоростях деформирования.
4. Разработка и создание интерферометрической схемы измерений для исследования оптических свойств и гидродинамического движения плазмы, возникающей при воздействии на твердотельные мишени мощных фемтосекундных лазерных импульсов в вакууме.
5. Проведение диагностики в субпикосекундном временном интервале комплексного коэффициента отражения плазмы, возникающей при воздействии на различные металлы фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10131015 Вт/см2.
Научная новизна работы 1. Для исследования динамики распространения ударной волны была разработана методика измерения смещения свободной поверхности, позволяющая определять скорость распространения и массовую скорость ударной волны.
2. Впервые определена откольная прочность металлов с рекордными темпами растяжения (до 109 с-1) при воздействии на них фемтосекундных лазерных импульсов.
3. Экспериментально получены оценки скорости распространения и массовой скорости ударной волны. На основе полученных данных было показано, что волна является упругой.
4. Впервые разработана экспериментальная схема для исследования изменения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы в вакууме при высоких интенсивностях (I >1014 Вт/см2) в начальный момент ее образования с фемтосекундным временным разрешением.
5. Экспериментально получены временные зависимости изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы (на длине волны зондирующего импульса), образующейся на поверхности мишеней Al и Ag при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, в диапазоне интенсивностей I = 510131,51015 Вт/см2, в субпикосекундном интервале времени.
Практическая ценность Результаты работы могут быть использованы для построения моделей процессов, происходящих в звездах и недрах планет, в лабораторных источниках плазмы. Результаты исследований динамики образования и распространения ударных волн в металлах могут быть применены для определения прочностных свойств при сверхвысоких скоростях нагружения.
Защищаемые положения 1. Временные зависимости амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы в начальной момент ее образования при воздействии на мишени, фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10141015 Вт/см2.
2. Методика измерений смещения поверхностного слоя с высоким пространственным разрешением для исследования динамики распространения ударных волн, создаваемых фемтосекундными лазерными импульсами.
3. Результаты измерений скорости распространения ush, массовой скорости up и давления Psh, при выходе ударной волны на свободную поверхность, полученные при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на тонкие пленки металлов.
Экспериментально показан упругий характер ударной волны при таком способе возбуждения.
4. Определена откольная прочность пленок алюминия при скорости растяжения (10,2)109 с-1, которая составляет величину * (6,81,1) ГПа.
Апробация работы и публикации Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях: 8th International Workshop on Subsecond Thermophysics,Moscow, Russia, September 26-28, 2007, Moscow, 2007, 9th Аnnual Conference on Laser Ablation COLA 2007, September 24-28, 2007, Tenerife, Spain Technical Program; 5-й Российский симпозиум "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" (тезисы докладов, с.2122, 23 июля-1августа 2007г., Н.Афон, Абхазия; "Физика экстремальных состояний вещества - 2007", Кабардино-Балкарская респ., п. Эльбрус; Proceedings of the УTopical meeting on optoinformaticsТ 2008Ф, St.Peterburg 15-18 September 2008; XXIII Международная конференция УУравнение состояния веществаФ. 1 - 6 марта 2008 г.
п. Эльбрус, Россия; High-Power Laser Ablation VII: 20Ц24 April 2008, Sagebrush Inn, Taos, New Mexico, USA. Опубликовано 5 работ в реферируемых изданиях.
ичный вклад автора Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись разработка экспериментальных схем, проведение экспериментальных исследований, а также обработка данных и интерпретация полученных результатов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 97 страницах, включает 42 рисунка и список литературы (общее число ссылок 78).
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цель, научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены экспериментальные установки, их схематическое описание, описаны методы получения чирпированных импульсов, представлены оптические схемы резонаторов. Рассмотрены основные моменты экспериментальной методики интерференционной микроскопии, совмещенной с pump-probe-методикой, которая применяется для получения информации об изменении комплексного коэффициента отражения. Основными достоинствами данной методики являются получение экспериментальных данных с высоким пространственным и временным разрешением, а так же высокая чувствительность и фемтосекундное временное разрешение при измерении фазы комплексного коэффициента отражения. [1].
В разделе 1.1 рассмотрены используемые в экспериментах лазерные системы. В разделе 1.1.2 представлены параметры фемтосекундной титансапфировой лазерной системы. Рассмотрены характерные параметры и принципы работы всех составляющих элементов лазерных систем, реализованных на общепринятой схеме усиления чирпированных импульсов.
В разделе 1.1.2 описана фемтосекундная тераваттная хром-форстерит лазерная система, не имеющая аналогов в мире. Это уникальная система, которая на длине волны 1240 нм имеет энергию до 90 мДж и длительность 80 фс. Частота повторения импульсов 10 Гц, и она определяется лазерами накачки многопроходного усилителя.
В разделе 1.2 приведена экспериментальная методика Фурьеинтерферометрии с фемтосекундным временным разрешением для исследования свойств неидеальной плазмы, образующейся на поверхности металлических мишеней, при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов.
Измерение амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения зондирующей волны является единственным прямым методом, позволяющим получить данные об изменениях оптических свойств плазмы. Pump-probe-схема измерений, в которой излучение фемтосекундного лазера делится на два пучка - зондирующий и нагревающий, совместно со схемой интерференционной микроскопии, позволяет проводить измерения Рис. 1. Интерферометрический узел динамики комплексного коэффициента отражения плазмы с пространственным разрешением. Фурье-обработка интерферограмм обеспечивает измерение изменений амплитуды rind(x, y) и фазы ind(x, y) комплексного коэффициента отражения с высокой точностью [2].
Экспериментальная измерительная схема (рис. 1) представляет собой интерферометр Майкельсона с переносом изображения поверхности исследуемого образца в плоскость ПЗС-матрицы. P-поляризованный лазерный импульс, падающий на образец под углом 45, используется для возбуждения образца.
Зондирующий импульс с изменяемой задержкой относительно нагревающего импульса предназначен для подсветки исследуемой области образца. Для переноса изображения в эксперименте использовались микрообъективы с кратностью увеличения 8 и числовой апертурой 0,2.
Интерферограмма формируется в плоскости изображения (CCD-камера) в результате интерференции объектной и опорной волн:
~ Eobj(x, y) = r (x, y) A1(x, y)exp(i (x, y)), (1) Eref (x, y) = A2(x, y) exp(i (x, y)), (2) где А1, А2, 1, 2 - амплитуды и фазы двух интерферирующих волн соответственно..
Объектная волна содержит при этом информацию о комплексном коэффициенте отражения образца, записываемом в виде:
~ r (x, y)=r(x, y)exp(i (x, y)). (3) Для оценки изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы необходима запись двух интерферограмм (рис. 2):
интерферограммы невозбужденной поверхности (начальной) и интерферограммы, полученной с временной задержкой зондирующего импульса относительно нагревающего (временной). Интерферограммы фиксировались с помощью ПЗС камеры PCO, размер пикселя 8 мкм.
Рис. 2. Начальный (слева) и временной (справа) кадры интерферограммы поверхности образца Al. Плотность энергии нагревающего лазерного импульса 130мДж/см2, tdelay = 450 пс В разделе 1.2 рассмотрена методика определения нулевой задержки. Для проведения экспериментов, основанных на pump-probe-методике, требуется контролировать задержку зондирующего импульса относительно нагревающего. Для изменения времени между импульсами в схеме расположен узел линии задержки, который позволяет изменять задержку между нагревающим и зондирующим импульсами. Шаг линии задержки составлял 2,5 мкм, а временное разрешение методики определялось длительностью импульса и составляло 120 фс.
Также требуется определение нулевой задержки, которая представляет собой момент времени, когда максимумы зондирующего и греющего импульсов совпадают в плоскости мишени. Определение нулевой задержки основывается на наблюдении изменения амплитуды комплексного коэффициента отражения от мишени.
Для того, чтобы определить нулевую задержку, требуется построить график зависимости изменения коэффициента отражения мишени от времени. Как видно из рис. 3, коэффициент отражения увеличивается, что обусловлено возрастанием электронной концентрации при нагреве мишени лазерным импульсом. Энергия подбиралась таким образом, чтобы не происходило насыщение на переднем фронте импульса, и линейный участок графика соответствовал окончанию действия лазерного импульса. Начало изменения - это начало действия лазерного импульса, а линейный участок с максимальным значением - это окончание действия лазерного импульса. Соответственно нулевой задержкой в таком случае следует выбирать среднее время между началом и окончанием изменения коэффициента отражения, как это показано на рис. 3.
2,2,1,1,1,1,1,0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011Время, фс Рис. 3. Изменение отношения начальной амплитуды комплексного коэффициента отражения кремния индуцированному в зависимости от задержки Для проведения экспериментов по исследованию динамики ударных волн, нулевая задержка определялась по началу выхода ударной волны на поверхность, т.е. по первым изменениям фазы комплексного коэффициента отражения (рис. 4).
В разделе 1.3 приведена методика определения параметра r0 гауссова пространственного распределения плотности энергии нагревающего лазерного пучка:
(x cos )2 + yF(x, y) = F0 exp. (4) - r02 r/r t = --10 0 10 20 30 40 50 60 70 Время, пс Рис 4. Определение нулевой задержки. Нулевым принимается время такого момента, когда фаза комплексного коэффициента отражения начинает изменяться, что определяет выход ударной волны на поверхность Для получения распределения плотности энергии в зависимости от координаты на поверхности мишени применялась методика измерения пороговых значений энергии абляции мишени для лазерных импульсов с пространственным гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка [3, 4]. В соответствии с этой методикой строилась зависимость r2 как функция логарифма энергии лазерного импульса, где r - радиус области, в которой плотность энергии превышает пороговое значение абляции материала мишени. По линейной аппроксимации экспериментальных точек определяется пороговое значение энергии и параметр rгауссова пучка (рис. 5).
В разделе 1.4 представлена методика определения смещения тыльной поверхности мишени при выходе ударной волны. Эта методика также основана на методике интерференционной микроскопии, принципиальное отличие от описанной выше методики только в том, что возбуждение мишени происходит с одной стороны, а наблюдение за изменениями свойств - с другой. По рассмотренной выше методике Фурье-обработки интерферограмм определяется фаза комплексного коэффициента отражения при различных параметрах нагревающего импульса, а также в различные моменты времени, которые контролировались с помощью линии задержки.
Раздел 1.5 показывает методику определения толщины пленки. Для расчета скорости распространения ударной волны нужно знать точную толщину пленки.
Скорость распространения определяется из разности времени между выходом z (t), нм ударной волны на тыльную поверхность при пленочных мишенях различной толщины.
50Au, 1240нм r0x=38мкм, r0y=25мкм 40Eпор= 27мкДж 30Fпор= 0.9Дж/см20102,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,Ln(E), мкДж r2 = Aln E + B Рис. 5. Методика определения параметра r0 гауссова пучка.
Слева - изображения кратеров, справа - график зависимости квадрата радиуса кратера от логарифма энергии: 1 - для полуоси x, 2 - для полуоси y Для точного определения толщины был использован атомно-силовой микроскоп фирмы Veeco. В металлической пленке лазерными импульсами создавался кратер до стеклянной подложки, и далее этот кратер прописывался на микроскопе. По разнице верхнего и нижнего уровней определялась толщина пленки (рис. 6).
0,0,0,0,0,-0,-0,0 20 40 60 80 1мкм Рис. 6. Профиль кратера в металлической пленке. Толщина пленки 760 нм Во второй главе проведен анализ результатов исследований в области взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с металлами, проведен обзор данных об оптических свойствах плазмы. Представлены результаты Квадрат радиуса r, мкм мкм экспериментов по исследованию свойств неидеальной плазмы, образованной мощными фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 1013 1015 Вт/см2. Представлены экспериментальные данные по собственному коэффициенту отражения плазмы, полученные другими научными группами.
В разделе 2.1 представлена актуальность pump-probe-методики для диагностики плазмы, создаваемой мощными фемтосекундными лазерными импульсами на твердотельных мишенях [5]. Приведены результаты исследований других научных групп в области взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с веществом [6Ц11].
В разделе 2.2 представлена экспериментальная схема. Источником излучения является тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс на основе активного элемента из хром-форстерита. Генерация излучения происходит на длине волны 1,24 мкм, частота повторений 10 Гц, длительность лазерного импульса, измеренная с помощью автокоррелятора на основе неколлинеарного синхронизма генерации второй гармоники, равна 100 фс. Контраст лазерного импульса составил более 104 в диапазоне 1 пс до максимума импульса.
В основе экспериментальной схемы находится схема pump-probe-измерений, совмещенная со схемой оптической микроскопии и интерферометром Майкельсона, которые были описаны выше.
Г Г Мишень СП ГВГ СП Пространственный фильтр ФД П Набор светофильтров ПЗС-камера Рис. 7. Экспериментальная схема:
Г - призма Глана; ГВГ - кристалл генерации второй гармоники;
СП - светоделительная пластина; ФД - фотодиод; П - пленочный поляризатор Лазерный импульс с помощью светоделительной пластины (СП) разделяется на нагревающий (pump) и зондирующий (probe). Для предотвращения пробоя воздуха при фокусировке нагревающего лазерного импульса с интенсивностью I >1014 Вт/см2 на поверхности мишени интерференционный узел собран в вакуумной камере. Лазерное излучение заводится через окно камеры, просветленное как на основную длину волны, так и на вторую гармонику лазерного импульса (рис. 7).
В разделе 2.3 представлены результаты экспериментов. В экспериментах проводились измерения изменения комплексного коэффициента отражения плазмы, возникающей на пленках из алюминия или серебра при потоках энергии ~ 5101321015 Вт/см2. При Фурье-обработке интерферограмм находилось изменение амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы Al и Ag. Данные для амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения при различных энергиях греющего и различных задержках зондирующего импульсов представлены на рис. 8 и 9.
Величина погрешности, отложенной на графиках, включает в себя погрешность методики измерений (rind = 3%, ind = /100), а также погрешность, связанную с пространственной неоднородностью свойств образца и усреднением по 5 измерениям.
Погрешность определения интенсивности в области воздействия определялась нестабильностью энергии лазерного импульса и не превышала 5 %.
Далее приводятся данные экспериментального исследования коэффициента отражения мишеней для различных энергий нагревающего лазерного импульса. Для проведения измерения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения нужна информация о поглощенной энергии нагревающего лазерного импульса. При использовании полученных экспериментальных зависимостей для разработки теоретических моделей, описывающих процессы взаимодействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, важным параметром является значение поглощенной энергии нагревающего лазерного импульса. Для определения коэффициента поглощения исследуемых материалов были проведены измерения энергии нагревающего лазерного импульса, отраженного от поверхности мишени. Пренебрегая рассеянием [9] лазерного излучения, значение поглощенной энергии можно оценить, используя выражение E ref A = 1 Einc, (5) где Einc и Erefl - энергия падающего и отраженного лазерного импульса соответственно.
1, 1000 фс 1000 fs 0, 600 фс 600 fs 200 фс 200 fs 0,0,0,0,0,1014 101014 10Интенсивность Вт/смИнтенсивность Вт/см а b Рис. 8. Зависимости амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения пленки при задержках 200 (квадраты), 600 (круги) и 1000 (треугольники) фемтосекунд от интенсивности греющего импульса:
a - амплитуда комплексного коэффициента отражения Al; b - фаза комплексного коэффициента отражения Al 0, 200 фс 600 фс 1000 фс 0,0, 200 фс 1000 фс 600 фс 0,1014 101014 10Интенсивность Вт/см2 Интенсивность Вт/смa b Рис. 9. Зависимости амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения пленки при задержках 200 (квадраты), 600 (круги) и 1000 (треугольники) фемтосекунд от интенсивности греющего импульса:
a - амплитуда комплексного коэффициента отражения Ag; b - фаза комплексного коэффициента отражения Ag Зависимости величины коэффициента отражения мишени rself = Erefl /Einc от интенсивности лазерного импульса (1012 1016 Вт/см2) для p- и s-поляризации на длине волны излучения нагревающего импульса 1240 нм показаны на рис. 10.
Как видно из графиков, в случае р-поляризации коэффициент отражения монотонно уменьшается при увеличении интенсивности лазерного импульса и хорошо согласуется со значениями, приведенными в ряде работ [8]. При r/r Изменения фазы, рад r/r Изменения фазы, рад воздействии на мишень s-поляризованного излучения, изменения коэффициента отражения значительно меньше, чем при р-поляризации, хотя и больше, чем в работах, опубликованных другими авторами..
Коэффициент отражения Al Коэффициент отражения Al 1,р-поляризация, 1240нм, =45о 1,s-поляризация, 1240нм, =45о 0,0,0,0,0,0,0,0,1012 1013 1014 1015 10Интенсивно сть, Вт/см2 1012 1013 1014 1015 10Интенсивнос ть, Вт/смКоэф ф ициент отражения Ag Коэффициент отражения Ag 1,1,p-поляризация, 1240нм, =45о s-поляризация, 1240нм, =45о 0,0,0,0,0,0,0,0,1012 1013 1014 1015 101012 1013 1014 1015 10Интенсивнос ть, Вт/см И нтенсивн ость, Вт/смРис. 10. Коэффициент отражения мишени алюминия и серебра.
Представлены результаты коэффициента отражения мишеней алюминия и серебра для s- и p-поляризаций нагревающего импульса в диапазоне интенсивностей 10121016 Вт/смСравнение экспериментальных данных настоящей работы представлено на рис. 11.
1,1,1,1, Fedoseev Grims 0,0, This work 0,0,0,0,0,0,P-поляризация 0,5 Fedoseev 0, Grims 0,4 0,4 This work S-поляризацияl 0,3 0,0,2 0,0,1 0,1E12 1E13 1E14 1E15 1E16 1E12 1E13 1E14 1E15 1EИнтенсивность, Вт/см2 Интенсивность, Вт/смРис. 11. Сравнение экспериментальных данных, полученных в настоящей работе для Al, с данными других экспериментальных групп. Представлены графики отражения s- и p-поляризованного нагревающего лазерного импульса, 1240 нм, 100 фс (черные точки), 620 нм, 120 фс (сплошная линия), 248 нм, 250 фс (пунктирная линия) отр пад отр пад E / E E /E отр пад отр пад E / E E / E отр пад E / E отр пад E / E В работе [8] (красные точки) для исследований коэффициента отражения использовались лазерные импульсы, имеющие наиболее сходные параметры с выходными параметрами лазерной системы на основе активного элемента Cr:forsterite. Исследователи в работе [6] использовали более коротковолновый лазер, и лазерный импульс имел длительность около 250 фс, что почти в 2 раза больше чем в данной работе. Можно предположить, что различие результатов коэффициента отражения связана с различиями параметров лазерных систем.
Однако, общая тенденция в уменьшении коэффициента отражения присутствует.
В работе [7] зависимости коэффициента отражения имеют похожую тенденцию, с ростом интенсивности отражение падает, и возрастание его не начинается при интенсивностях до 1015 Вт/см2. По этим экспериментальным данным в работе [8] были проведены расчеты, гидродинамическое моделирование по коду SESAM имело хорошее согласие с экспериментальными данными. Исследование поглощения фемтосекундного лазерного излучения с целью определения наличия механизма вакуумного нагрева было проведено в работе [9], экспериментальные данные показывают снижение коэффициента отражения при интенсивностях до 1015 Вт/см2, что согласуется с данными, полученными в настоящей работе.
Возможное расхождение точных значений связано с разными параметрами лазерных систем: различной длительностью и длиной волны лазерного импульса.
Однако, несмотря на различие параметров лазерных импульсов в экспериментальных работах, максимум поглощения до интенсивности 1015 Вт/см2 не был обнаружен, как и в настоящей работе. Существование максимума поглощения (минимум коэффициента отражения) при интенсивности ~1014 Вт/см2 обусловлено существованием максимума частоты электронных столкновений при температуре электронов выше температуры Ферми [12, 13] (частота столкновений приблизительно равна плазменной электронной частоте). Однако в вышеприведенных работах, как уже отмечалось, максимум коэффициента поглощения не наблюдался при таких интенсивностях. Наиболее вероятно, что при таких параметрах этот максимум поглощения будет при более высоких интенсивностях.
В третьей главе описываются экспериментальные исследования динамики ударных волн, их генерация и распространение в тонких пленках.
В разделе 3.1 представлены различные способы генерации и диагностики ударно-волновых явлений. Множество способов генерации ударных волн позволяет получать волны с различными параметрами. В основном это ударные волны, полученные путем воздействия механического ударника на мишень, или оптического лазерного импульса большой энергии и малой длительности. Исследование прочности материалов, близкой к идеальной прочности, возможно с помощью создания и исследования ударных волн малой длительности, с крутым фронтом нарастания, и созданием большой скорости растяжения. Но длительность ударной волны при создании ее механическим ударником велика и зависит от толщины ударника. При создании ударной волны лазерными импульсами длительность ее характеризуется длительностью лазерного импульса. При большей длительности ударной волны не достигается высокая скорость растяжения, которая возможна при создании ударной волны малой длительности. При создании ударных волн фемтосекундными импульсами создаются ударные волны длительностью менее 1 пс и скоростью растяжения более 108 с-1[14].
Проведен обзор исследований, выполненных в области изучения генерации ударных волн с помощью лазерных импульсов. Рассмотрены методики измерения скорости выхода ударной волны VISAR и ORVIS, отмечены их преимущества и недостатки [15]. Показано, что для диагностики коротких ударных волн актуально использовать методику интерфенеционной микроскопии, совмещенной с pumpprobe-методикой.
В разделе 3.2 представлены результаты экспериментального исследования параметров и динамики распространения ударных волн в алюминиевых пленках микронной и субмикронной толщин под действием лазерных фемтосекундных импульсов. Представлены результаты измерений величины откольной прочности в поверхностном слое алюминия при рекордно высоких скоростях деформирования.
В качестве экспериментальных образцов использовались алюминиевые пленки, нанесенные методом магнетронного распыления на стеклянные подложки толщиной 150 мкм. Толщина образцов измерялась на атомно-силовом микроскопе с погрешностью 10 нм и составляла 360, 500, 760 и 1200 нм.
Движение тыльной свободной поверхности мишени при выходе УВ исследовалось методом фемтосекундной интерферометрической микроскопии, описанной в главе 2, совмещенной с pump-probe-методикой. Измерения проходили при различных временах задержки в диапазоне от Ц20 до 1000 пс. Временное разрешение методики составляло 200 фс и определялось длительностью импульса.
На рис. 12 представлена схема эксперимента. Для создания ударной волны использовалось излучение фемтосекундной лазерной системы на основе активного элемента Ti:Sapphire. Длина волны излучения = 800 нм, энергия в импульсе - до 1,5 мДж. Пространственное распределение нагревающего лазерного излучения на поверхности алюминиевого образца соответствовало гауссову с радиусом r0 40 мкм по уровню e-1, плотность энергии в центральной части фокального пятна F0= 1,3 Дж/см2. При используемом соотношении толщины пленочного образца и диаметра фокального пятна ударно-волновой процесс в его центральной части можно с достаточной точностью считать одномерным в течение по крайне мере -10 с.
Ti:Sap, l=40 фс, =800 нм E=2 мДж, F=1 кГц Нагревающий импульс СП Зондирующий r = 40 мкм импульс Зондирующий импульс, = 400 нм, 40 фс Al мишень ГВГ Линия задержки Стекло, 150 мкм СП ПЗС Нагревающий импульс, = 800 нм, 40 фс, 5-200 мкДж Объективы Рис. 12. Экспериментальная схема:
СП - светоделительная пластина; ГВГ - кристалл преобразования второй гармоники;
ПЗС - видеокамера Согласно расчетным оценкам [16], для создания давления в импульсе сжатия, необходимого для разрушения алюминиевой мишени при выходе ударной волны на поверхность, плотность энергии нагревающего импульса должна превышать величину 1 Дж/см2. Для уменьшения пиковой интенсивности в лазерном импульсе при данной плотности энергии с целью исключения возможности возникновения нелинейных эффектов в стеклянной подложке при прохождении лазерного излучения длительность импульса была увеличена до 150 фс.
30,76 m km 1,2 m km 20,5 m km 0,35 m km 2110 200 400 600 800 1000 12В рем я, пс Рис. 13. Графики смещения z(t) для пленок толщиной 360, 500, 760 и 1200 нм соответственно z(t), нм В результате проведенных экспериментов с мишенями различной толщины были получены зависимости смещения z(t) от времени (рис. 13). Изменения фазы, полученные в экспериментах, пересчитывались в нм согласно известной формуле z = ind 4. (6) Профили скорости, полученные путем дифференцирования усредненной зависимости смещения z(t), приведены на рис. 14.
Из приведенных зависимостей следует, что характерное время нарастания параметров в ударной волне составляет ~13 пс, а форма профиля скорости близка к треугольной. При этом длительность изменения скорости по треугольному профилю составляет S 100 пс. Это означает, что длительность волны сжатия в Al тоже составляет приблизительно такую же величину.
По измеренным интервалам времени t между моментами выхода ударной волны на поверхность образцов разной толщины d определена скорость распространения ударной волны u = d t, которая составила 7,650,3 км/с на s участке от 500 до 760 нм и 70,3 км/с на участке от 760 до 1200 нм. Толщина образцов определялась с помощью измерений на атомно-силовом микроскопе, погрешность измерений составляла 10 нм. Скорость распространения волны определялась:
ush = d t. (7) 11500 nm 1,760 nm 1,ufs z( t ) 0,0,8 z( t ) ufs( t ) 0,0,ufs( t ) 0 0,0 0,0 100 200 30 100 200 3Время t, ps Время t, ps 11,1200 nm ufs( t ) 0,z( t ) 0,0 0,100 200 3Время t, ps Рис. 14. Профиль скорости свободной поверхности, полученный дифференцированием сглаженной экспериментальной зависимости z(t). Пунктиром показана начальная часть профиля, полученная из аппроксимации экспериментальных данных квадратичной u (t) fs кривой fs fs Смещение z, nm Смещение z, nm Скорость свободной поверхности u, km/s Скорость свободной поверхности u, km/s fs Смещение z, nm Скорость свободной поверхности u, km/s На основе проведенных измерений us и up оценено давление за фронтом ударной волны на выходе из образца из соотношения Psh = 0ushup. (8) Результаты измерений показали, что давление за фронтом УВ при величине пробега от 500 до 1200 нм уменьшилось от 11,87 до 8,5 ГПа.
Отражение импульса сжатия от свободной поверхности приводит к формированию растягивающих напряжений в глубине образца. Если величина растягивающего напряжения превышает значение прочности материала, то происходит откол. Величина растягивающего напряжения непосредственно перед разрушением определялась по декременту скорости u между ее максимальным fs значением и минимальным значением перед откольным импульсом. В акустическом приближении, когда вклад нелинейности сжимаемости вещества незначителен, метод характеристик дает простую формулу для расчета величины откольной прочности spall spall = 0cufs, (9) где 0 - плотность материала; c - скорость звука.
В случае больших растягивающих напряжений, реализуемых в экспериментах, расчетная формула для импульсов нагрузки треугольного профиля принимает вид [17, 18]:
spall = 0clu, (10) fs 1+ cl cb где cb = 5,3 км/с - объемная скорость звука в алюминии; c = 6,4 км/с - продольная l скорость звука.
Значения ufs, отсчитываемые от максимума скорости при квадратичной аппроксимации экспериментальных точек, составили 0,82 км/с при толщине образца 500 нм, 0,87 км/с при толщине 760 нм и 0,85 км/с при толщине 1200 нм. В последнем случае откольный импульс на профиле u (t) не фиксируется. Для среднего fs значения 0,85 км/с соотношение (10) дает значение откольной прочности = 6,4 ГПа. Таким образом, в проведенных экспериментах реализовано по spall крайней мере 50 % идеальной прочности алюминия (11,7 ГПа [19]).
Толщина откольного слоя определяется из соотношения Lspall =1 2c1(tmin - tmax ), (11) где t и t соответствуют времени достижения скорости поверхности max min максимального и минимального значения соответственно. Толщина откольного слоя в наших экспериментах составляет порядка 200 нм, толщина расплавленного слоя при нагреве мишени лазерным импульсом 100-150 нм [20], т.е. откол происходит в твердой фазе. Согласно результатам моделирования, проведенного группой Н.А. Иногамова в работе [20], в данном случае разрыв пленки может происходить вблизи нагреваемой поверхности в жидкой фазе.
Идеальная прочтость spall = 0.4 + 3.75(' /108 )0.6 MD Эта работа Single Crystals Foils 2 Moshe, Eliezer, Al 99.99% 20ADЛазеры и потоки частиц 0,0,Воздействие ударников 0,103 104 105 106 107 108 109 10Скорость растяжения, с-Рис. 15. Результаты измерений откольной прочности алюминия в сопоставлении с литературными данными для алюминия АД-1 [21, 22], алюминия высокой чистоты [23, 24], монокристаллического алюминия [25] и алюминиевой фольги [26, 15]. Показаны также результаты молекулярно-динамического моделирования откола [27], а также значение идеальной прочности алюминия из первопринципных расчетов [19] В данной работе были получены данные об откольной прочности алюминия, которые отмечены на зависимости откольной прочности от скорости растяжения вместе с другими экспериментальными и расчетными данными (рис. 15).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана экспериментальная схема для исследования изменения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы в вакууме при высоких интенсивностях (I >1014 Вт/см2).
2. В субпикосекундном временном диапазоне экспериментально получены временные зависимости изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы на длине волны зондирующего импульса, образующейся на поверхности мишеней Al и Ag при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов в диапазоне интенсивностей I = 510131,51015 Вт/см2.
Откольная прочность, ГПа 3. Разработана интерферометрическая методика измерения динамики смещения тыльной поверхности мишени с пространственным и временным разрешением под действием импульсов сжатия длительностью 10-10 с.
4. Впервые измерена величина откольной прочности алюминиевых пленок при рекордно высоких скоростях растяжения V /V 109 с-1, составившая величину * (6,81,1) ГПа.
5. Определена скорость ударной волны в плёнке алюминия на разных участках её распространения. Она составляла величину (7,60,3) км/с на участке от 500 до 760 нм и (70,3) км/с на участке от 760 до 1200 нм. В эксперименте была также определена массовая скорость up, которая составила величину (0,61) км/с для пленки 500 нм, (0,551) км/с для пленки 760 нм и (0,451) км/с для пленки 1200 нм.
На основе этих измерений определено давление за передним фронтом ударной волны, которое составило величину (12,71) ГПа для пленки толщиной 500 нм, (9,51) ГПа для пленки толщиной 760 нм и (8,41) ГПа для пленки толщиной 1200 нм соответственно.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Anisimov S.I., Inogamov N.A., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Zhakhovskii V.V., Nishihara K., Agranat M.B., Ashitkov S.I., Komarov P.S. Thresholds for front-side ablation and rear-side spallation of metal foil irradiated by femtosecond laser pulse// Appl. Phys. A.
V. 92. Issue 4. Pp.797-801 (2008) DOI 10.1007/s00339-008-4608-x.
2. Anisimov S.I., Inogamov N.A., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Zhakhovskii V.V., Nishihara K., Agranat M.B., Ashitkov S.I., Komarov P.S. Interaction of short laser pulses with metals at moderate intensities // Appl. Phys. A. Applied Physics A. V. 92. Issue 4.
Pp.939-943 (2008) DOI 10.1007/s00339-008-4607-y.
3. Anisimov S.I., Inogamov N.A., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Zhakhovskii V.V., Nishihara K., Agranat M.B., Ashitkov S.I., Komarov P.S. Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse. Proc. of SPIE, 2008, vol. 7005, p. 70052F-1 - 70052F-10.
4. Komarov P.S., Ashitkov S.I., Ovchinnikov A.V., Sitnikov D.S., Veysman M.E., Levashov P.R., Povarnitsyn M.E., Agranat M.B., Andreev N.E., Khischenko K.V. and Fortov V.E.
Experiment and theoretical study of Al plasma under femtosecond laser pulses // Phys.
A: Math. Theor. 42 No 21 (29 May 2009) 214057 (4pp) J.
5. Ситников Д.С., Комаров П.С., Овчинников А.В., Ашитков С.И. Фемтосекундная фурье-интерферометрия неидеальной плазмы // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 4.
ЛИТЕРАТУРА 1. Temnov V.V., Sokolowski-Tinten K., Zhou P. and Von der Linde D. Femtosecond time-resolved interferometric microscopy // Appl. Phys. A. 2004. № 78. P. 483-489.
2. Takeda M., Ina H. and Kobayashi S., Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry // J. Opt. Soc. Am. 1982.
№ 72. P. 156.
3. Von der Linde D. and Shuler H. Breakdown threshold and plasma formation in femtosecond laser-solid interaction // J. Opt. Soc. Am. 1996. B. N 13. P. 216-222.
4. Mannion P., Magee J., Coyne E. and O'Connor G.M., Ablation thresholds in ultrafast laser micromachining of common metals in air // Proc. SPIE. 2003. № 4876. P. 470478.
5. Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И. и др. О механизме поглощения фемтосекундных лазерных импульсов при плавлении и абляции Si и GaAs // Письма в ЖЭТФ. 2006. № 83. С. 592.
6. Fedosejev R., Ottmann R., Sigel R., Szatmari G.S., Schafer F.P. Absorbtion of femtosecond laser pulses in high-density plasma // Phys. Rev. lett. V. 64. N 11.
12.03.1990.
7. Milchberg H.M, Freeman R.R., Davey S.C. and More R.M. 1988 Phys. Rev. Lett. 2364-7, Ng, P. Celliers, A. Fosman, R.M. More, Y.T. Lee, F. Perrot, Reflectivity of intense femtosecond laser pulses from a simple metal // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72.
N 21.
8. Grimes M.K., Rundquist A.R., Lee Y.-S. and Downer M. C. Experimental identification of Уvacuum heatingФ at femtosecond-laser-irradiated metal surfaces // Phys. Rev. Lett.
1999. V. 82. P. 4010Ц4013.
9. Price D.F, More R.M, Walling R.S, Guethlein G., Shepherd R.L., Stewart R.E. and White W.E. Phys. Rev.Lett. 1995. V. 75. P. 252.
10. Temnov V.V., Sokolowski-Tinten K., Zhou P. and Von der Linde D. Ultrafast imaging interferometry at femtosecond-laser-excited surfaces // J. Opt. Soc. Am. B, 2006. V.
23, No. 9, P. 1954-1964.
11. Widmann K., Guethlein G., Foord M. E., Cauble R.C., Patterson F.G., Price D.F., Rogers F.J., Springer P.T., Stewart R.E., Ng A., Ao, T., and Forsman A.
Interferometric investigation of femtosecond laser-heated expanded states // Phys.
Plasmas. 2001. V. 8. P. 3869Ц3872.
12. Agranat M B, Andreev N E, Ashitkov S I, Veisman M E, Levashov P R, Ovchinnikov A V, Sitnikov D S, Fortov V E and Khishchenko K V 2007 JETP Lett. 85 271 - 13. Veysman M E, Agranat M B, Andreev N E, Ashitkov S I, Fortov V E, Khishchenko K V, Kostenko O F, Levashov P R, Ovchinnikov A V and Sitnikov D S 2008 J. Phys. B: At.
Mol. Opt. Phys. 41 125714. Huang Li, Yanqiang Yang. Measurement of transit time for femtosecond-laser-driven shock wave through aluminium films by ultrafast microscopy // J. Phys. D: Appl. Phys.
2009. V. 42, P. 045502.
15. Eliezer S., Moshe E. and Eliezer D. Laser and Particle Beams. V. 20. P. 87-92 (2002).
16. Anisimov S.I., Inogamov N.A., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Zhakhovskii V.V., Nishihara K., Agranat M.B., Ashitkov S.I., Komarov P.S. Thresholds for front-side ablation and rear-side spallation of metal foil irradiated by femtosecond laser pulse // Appl. Phys. A.
2008. V. 92. Issue 4. Pp.797-801.
17. Канель Г.И. // ПМТФ. 2001. Т. 42. С. 194-198.
18. Степанов Г.В. Проблемы прочности. 1976. № 8. С. 66-70.
19. Sin'ko G.V. and Smirnov N.A. JETP Letters. 2002. V.75. P. 184-186.
20. Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Овчинников А.В., Фортов В.Е., Хохлов В.А., Шепелев В.В. // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. С. 517.
21. Гаркушин Г.В., Канель Г.И., Разоренов С.В. // Физ. Твердого тела. 2010. Т.52(11).
22. Kanel G.I., Razorenov S.V., Bogatch A.A., Utkin A.V., Fortov V.E. and Grady D.E. // J.
Appl. Phys. 1996. V. 79. C. 8310.
23. Разоренов С.В., Канель Г.И., Фортов В.Е. Физ. Металлов и металловедение.
2003. Т. 95. С. 91.
24. Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., Baumung K., Karov H.U. and Licht V.
Spallations Near the Ultimate Strength of Solids. High-Pressure Science and Technology - 1993. Ed.: S.C.Schmidt, J.W.Shaner, G.A.Samara, M.Ross. American Institute of Physics, New York, AIP Conference Proceedings 309, p.1043.
25. Kanel G.I., Razorenov S.V., Baumung K. and Singer J. // J. Appl. Phys. 2001.
V. 90(1). P. 136-143.
26. Moshe E., Eliezer S., Henis Z., Werdiger M., Dekel E., Horovitz Y. and Maman S., I.
B. Goldberg, D. Eliezer. Appl. Phys. Letters. 2000. V. 76(12). P. 1555-1557.
27. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I. and Nishihara K. Appl.
Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9592.
Комаров Павел Сергеевич СВОЙСТВА НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ И ДИНАМИКА УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ НАГРЕВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ Автореферат Подписано в печать 08.11.2012 Формат 60х84/Печать офсетная Уч.-изд.л. 1,5 Усл.-печ.л. 1,Тираж 100 экз. Заказ N 258 Бесплатно ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике