Околокритические состояния и фазовые переходы, индуцированные лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металлов, механически нагруженной слоем прозрачного диэлектрика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Ивочкин, Александр Юрьевич

• Ивочкин, Александр Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ивочкин, Александр Юрьевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Поля температуры и давления при лазерном облучении механически нагруженной поверхности металла при отсутствии фазовых переходов.

1.1. Постановка связанной задачи термоупругости в прозрачной и поглощающей средах.

1.2. Температурное поле в приближении постоянства теплофизических параметров металла и диэлектрика.

1.3. Поле давления при постоянных теплофизических параметрах.

1.4. Влияние изменения теплофизических параметров на распределения температуры и давления.

1.5. Численное моделирование полей температуры и давления с учетом температурной зависимости теплофизических параметров.

1.6. Результаты Главы 1.

Глава 2. Особенности лазерно-индуцированных фазовых переходов первого рода в условиях механического нагружения поверхности металла.

2.1. Плавление металла в условиях механически нагруженной поверхности. Постановка задачи.

2.2. Поле температуры при плавлении. Численное решение.

2.3. Генерация давления при плавлении металла.

2.4. Кипение металла в условиях механически нагруженной поверхности

2.5. Результаты Главы 2.

Глава 3. Экспериментальная методика одновременного измерения давления, температуры и отражательной способности поверхности металла с наносекундным временным разрешением.

3.1. Обзор работ по методам измерения давления в импульсных процессах с высоким временным разрешением.

3.2. Методика измерения импульсов давления, индуцируемых лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металла, механически нагруженного слоем прозрачного диэлектрика.

3.3. Оценка погрешности измерения давления на поверхности мишени.

3.4. Обзор работ по бесконтактным методам определения температуры с высоким временным разрешением.

3.5. Измерение отражательной способности поверхности образца.

3.6. Конструкция мишеней.

3.7. Результаты Главы 3.

Глава 4. Экспериментальное исследование лазерно-индуцированных фазовых переходов в свинце и ртути в условиях механически нагруженной поверхности

4.1. Выбор материала мишени.

4.2. Схема экспериментальной установки.

4.3. Акустические сигналы в свинце при отсутствии плавления.

4.4. Влияние плавления на форму акустических сигналов в свинце.

4.5. Искажение профилей акустических сигналов значительной амплитуды при распространении в иммерсионной среде.

4.6. Динамика измерения отражательной способности поверхности свинца при воздействии лазерного излучения.

4.7. Экспериментальное исследование фазовых переходов в ртути.

4.8. Результаты Главы 4.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Околокритические состояния и фазовые переходы, индуцированные лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металлов, механически нагруженной слоем прозрачного диэлектрика»

Исследование поведения металлов в широком диапазоне изменения термодинамических параметров является важной фундаментальной задачей, в то же время представляющей значительный интерес для многих практических приложений. Однако в настоящий момент практически неисследованной оказалась область вырожденного состояния вещества с температурами выше 3000 К и давлениями более 200 МПа (2000 атм). Этой области соответствуют предполагаемые параметры критических точек, являющихся внутренними масштабами вещества, практически всех металлов, составляющих ~ 80 % таблицы Менделеева. Наиболее хорошо разработанные статические методы определения термодинамических, транспортных, электрических и оптических свойств веществ имеют ограниченную область применимости ввиду существования термопрочностных пределов материалов конструкций установок. В связи с этим широкое распространение приобрели динамические методы получения и исследования состояний веществ при высоких температурах и давлениях, в том числе при интенсивном лазерном воздействии [1-4].

Особый интерес представляет диапазон состояний металлов с температурами до 20 000 К и давлениями до 2000 МПа (20 000 бар), недостижимый статическими методами, в котором, по теоретическим оценкам, лежат их критические параметры [5]. На сегодняшний день критические точки экспериментально определены лишь для ртути и щелочных металлов [6], по другим металлам надежные экспериментальные данные отсутствуют. Отсутствуют данные по поведению металлов в околокритической области: положению кривой фазового равновесия (бинодали) и абсолютной термодинамической неустойчивости (спинодали), транспортным свойствам. Большой интерес представляют электрические свойства - ввиду достаточно высокой критической температуры, сравнимой с потенциалом ионизации, пары металлов на правой ветви бинодали могут быть термически ионизованы, поэтому высокотемпературному испарению, по-видимому, соответствует переход в неидеально плазменное состояние. При этом в околокритической области возможны фазовые переходы типа "металл-диэлектрик" [2].

Идея использования импульсного лазерного излучения для контролированного получения заданных термодинамических состояний (перевода данной макроскопической системы из заданного начального состояния в заданное конечное состояние по заданному пути перехода в результате выделения в системе тепла за счет диссипации энергии лазерного излучения) была впервые предложена в работах [7, 8] применительно к задаче об оптически-направленном переводе жидкостей в закритическое состояние и, в частности, в окрестность критической точки. В указанных работах было предложено условное название нового направления - оптотермодинамика. Типичным примером оптотермодинамической задачи является задача о сильном сжатии и нагреве лазерным импульсом специальной формы плазменного ядра сферически облучаемой мишени с целью получения термоядерной реакции [9].

Однако, отличительной чертой динамических методов является существенно нестационарный и, как правило, пространственно неоднородный характер процесса ввода энергии в систему. Это приводит к значительным трудностям при определении термодинамических параметров исследуемой системы, которые непрерывно меняются во времени и в пространстве.

Кроме исследования критические точек металлов, еще одной фундаментальной задачей является исследование фазовых переходов. С терминологической точки зрения фазовый переход является всегда неравновесным процессом в отличие от фазового равновесия, там не менее в научной литературе встречается сочетание «неравновесный фазовый переход» в настоящей работе будет использоваться определение фазовой трансформации только как «фазовый переход». В этой области динамические методы находят широкое применение благодаря малости времени воздействия на систему, что в определенных случаях приводит к образованию метастабильных состояний.

Исследование фазовых переходов динамическими методами имеет некоторые особенности, это обусловлено тем, что уравнения термодинамики выведены дедуктивными методами и они не содержат времени, как одной из переменных определяющих процесс. Эти недостатки классической термодинамики, в первом приближении, компенсируются введением понятия времени релаксации процесса по определенному термодинамическому параметру и рассмотрении процессов локально равновесных и локально неравновесных. Локально равновесные процессы с некоторыми оговорками описываются уравнениями классической термодинамики. Локально неравновесные процессы принципиально требуют «кинетических» методов описания. Как было отмечено выше, само по себе фазовое превращение, в отличие от фазового равновесия, является неравновесным процессом, который характеризуется своим временем релаксации, определяющим время формирования межфазной границы и* установления равновесия между фазами тт [10]. Если длительность лазерного воздействия г, <тт, то возможно возникновение метастабильных состояний со значительными отклонениями состояния фаз от равновесия. В общем случае требуется кинетическое описание указан-■ ных выше процессов. t Применительно к фазовым переходам первого рода жидкость-пар область метастабильных состояний ограничена с одной стороны границей фазового равновесия -бинодалью, а с другой - границей абсолютной термодинамической неустойчивости -спинодалью [10]. В этой области метастабильная фаза является устойчивой по отношению к малым возмущениям термодинамических параметров, однако флуктуации боль' шие некоторого критического значения продолжают нарастать, ввиду чего фаза имеет конечное время жизни. При этом, чем глубже заход в метастабильную область - ближе к спинодали, тем короче время жизни, но в то же время, по мере приближения к критической точке время жизни метастабильного состояния увеличивается. Спинодаль ограничивает область абсолютно неустойчивых - лабильных состояний, в этой области сколь угодно малое возмущение продолжает нарастать, что приводит к очень быстрому фазовому расслоению. Импульсное воздействие, длительность которого мала по сравнению со временем жизни метастабильного состояния, позволяет осуществить глубокий заход в метастабильную область и исследовать поведение вещества вблизи спинодали.

Необходимо отметить, что при использовании сверхкоротких возбуждений на временах сравнимых с их длительностью возможны ситуации, когда нельзя говорить о наступлении термодинамического равновесия в системе [11]. В этих случаях состояние системы не описывается набором термодинамических параметров, таких как температура и давление. С этой точки зрения, при исследовании теплофизических свойств веществ динамическими методами выбор длительности внешнего воздействия очень важен. При лазерном облучении поверхности металла характерным временем установления локального термодинамического равновесия в системе является время выравнивания температур электронной и ионной подсистем г , которое по порядку величины составляет 10"12-10"11 с [12]. На временах больших тер поведение системы можно описывать на языке термодинамических параметров. Для лазерных импульсов наносе-кундной длительности указанное условие выполняется.

Создание адекватных моделей и понимание физических процессов происходящих при воздействии лазерного излучения на вещество в условиях фазовых превращений необходимо и для практических приложений. Фазовые превращения играют основную роль в процессах лазерной абляции вещества, используемых для обработки поверхности, получения тонких пленок, определения состава вещества [12]. Генерация ударных волн в процессе лазерного воздействия используется для упрочнения поверхности, кроме того, представляет интерес создание источника ударных волн для исследования химических реакций [13].

В настоящее время особую актуальность приобретает исследование процессов генерации наноструктурных объектов при контролируемой лазерной абляции облучаемого вещества в конденсированную среду. Лазерно-индуцированные фазовые переходы и реализуемые при этом около и сверхкритические состояния вещества играют определяющую роль. Известно, что свойства веществ сильно зависят как от их химической природы, так и от их структуры [14]. В частности, благодаря перекрытию атомных или молекулярных орбиталей, объемные материалы, состоящие из большого числа атомов характеризуются наличием энергетических зон, которые ответственны за большую часть физических и химических свойств твердых тел. Однако для наноматериалов с размерами до 50 нм, число атомов становится настолько малым, что энергетические зоны значительно изменяются, это приводит к изменению всех физических свойств материалов. В частности, у наноструктурированных полупроводников, таких как кремний и германий появляется сильное излучение фотолюминесценции в видимом диапазоне, тогда как для объемного материала эти элементы имеют небольшие и непрямые запрещенные зоны. Также известно, что наноструктурированные металлы обладают новыми интересными свойствами. В частности, ансамбли наночастиц металлов проявляют спектральное изменение цвета, как в проходящем, так и в отраженном спектре, когда размер, форма и средний размер между наночастицами изменяются [15, 16]. Эти эффекты проявляются благодаря эффекту резонансного поглощения света отдельными наночастицами и возбуждению локализованных поверхностных плазмонов, связанных с коллективными осцилляциями электронов в металлах. Применение новых свойств полупроводников или металлических наноматериалов обещает привести к значительным достижениям во многих областях, включая оптоэлектронику, .биодатчики и средства отображения, магнитную и оптическую память, наноэлектронику, покрытия, ме-хано-химическую полировку и т.д. [17].

Фазовые переходы играют определяющую роль в процессе лазерной абляции, которая является перспективным методом модификации поверхности, в том числе формирования наночастиц и наноструктурирования самой облучаемой поверхности [18, 19].

Взаимодействие мощного лазерного излучения с поглощающими средами приводит к абляции (взрывному вскипанию) последних и распылению их материала в окружающую среду. При больших коэффициентах поглощения (металлы) толщина испаряемого слоя сопоставима с размерами скин-слоя и имеет порядок десятков-сотен нанометров. Вне мишени испаренный материал организуется, в кластеры нанометровых размеров - наночастицы. Если облучаемая поверхность мишени механически свободна, то абляция происходит в вакуум или атмосферу с контролируемыми параметрами и характерная длина свободного пробега частиц существенно превышает расстояния между ними в нагреваемом теле. Этому случаю лазерного воздействия посвящена обширная литература.

Процесс образования наночастиц при абляции в общем случае в конденсированную среду и, в частности, в жидкость исследован в значительно.меньшей.степени [18-38]. При лазерной абляции в жидкость длина свободного пробега аблируемых частиц на порядки меньше и сравнима со средним расстоянием между атомами, т.к. движение испаренного материала мишени происходит в условиях значительного гидродинамического сопротивления со стороны жидкой среды, в которую происходит абляция. В момент выброса расплавленные наночастицы мишени находятся в оболочке пара жидкости, в которую происходит абляция, при температурах Г-1500 К и соответственно давлениях насыщения жидкости Р ~ 100 МПа (1000 бар). Это обстоятельство оказывает влияние на распределение частиц по размерам. Кроме того, вследствие сложного конвективного движения в замкнутом объеме, образовавшиеся наночастицы могут вернуться в область лазерного пучка, что при достаточно высоком уровне поглощения на длине волны лазерного излучения может также приводить к изменению функции распределения частиц по размерам. Процесс сбора наночастиц, образующихся в процессе абляции, не представляет проблемы, т.к. полученные наночастицы образуют коллоидный раствор.

Так, наблюдалось образование наночастиц серебра [18, 19], золота [22, 23, 25]и меди [20] при абляции соответствующих металлов излучением Nd:YAG лазера. Лазерное излучение также применяется для модификации размера коллоидных частиц серебра [29, 30], золота [21, 22] и наночастиц, составленных из сплава золота с серебром, приготовленного химическим способом [23]. Также, для приготовления частиц широко применяются химические методы. Как правило, наночастицы образуются при смешении водных растворов солей соответствующих металлов с восстановителями, так что после образования наночастиц в растворе присутствуют другие ионы, входившие в состав растворенных соединений. Эти ионы могут адсорбироваться на поверхности наночастиц, придавая им электрический заряд, и, тем самым, способствовать устойчивости коллоидного раствора. Потенциал заряженных наночастиц подобен дебаевскому, причем экранировка заряда происходит ионами противоположного знака, имеющимися в жидкости. Другой возможностью стабилизации является добавление в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ). В зависимости от их природы они могут фиксироваться на поверхности наночастиц в силу либо электростатического взаимодействия, либо Ван-дер-Ваальсова притяжения.

Особенность лазерной абляции в жидкости состоит в том, что образующиеся при этом наночастицы не содержат ни стабилизирующих ионов, ни поверхностно-активных веществ, хотя абляция в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) является возможной. В процессе абляции происходит многократное увеличение границы раздела металл-жидкость. Так, в типичных условиях 1 см3 раствора коллоидного раствора золота имеет металлическую поверхность около 30м2. Такая система становится существенно гетерогенной, хотя по-прежнему поглощение лазерного излучения происходит на наночастицах металла, взвешенных в практически прозрачной для излучения жидкости.

В этом случае наблюдается явление плазмонного резонанса, т.е. возникновение специфической полосы поглощения раствора в видимой области, обусловленной малостью размера частиц. Плазмонная полоса поглощения возникает в том случае, если размеры наночастицы становятся меньше длины свободного пробега свободных электронов в массиве металла (несколько десятков нанометров). Рассеяние свободных электронов происходит в этом случае преимущественно на поверхности частицы, поэтому плазмонная частота свободных колебаний электронов'может смещаться из ультрафиолетовой (УФ) в видимую область спектра. Этот эффект наблюдается лишь для трех металлов, Au, Ag и Си, плазмонная частота наночастиц которых располагается в видимой области спектра, для всех прочих она находится в УФ-область.

Оптическое излучение поглощается свободными электронами металлической наночастицы и термализуется в течение 3-5 пс [28]. При инициировании абляции лазерным излучением видимого диапазона энергия лазерного пучка, поглощенная нано-частицей, может быть достаточно велика для ее нагрева и дальнейшего расщепления (фрагментации). Это также является существенным отличием абляции в жидкости от абляции в вакууме или разреженном газе. В последнем случае время взаимодействия лазерного пучка с наночастицами, образовавшимися в результате абляции твердой мишени, не превышает длительности лазерного импульса, тогда как к приходу следующего импульса высокоскоростные частицы уже осаждаются на стенки камеры. При абляции в жидкости образовавшиеся наночастицы могут взаимодействовать с последующими лазерными импульсами значительно большее время вследствие устойчивости образовавшегося коллоидного раствора. В результате распределение частиц по размерам при длительных лазерных экспозициях раствора может существенно отличаться от распределения частиц, образующихся в процессе абляции металлической мишени в газовую среду, вакуум и т.п. Можно показать, что для малых частиц температура пропорциональна их геометрическому сечению.

Оптические константы наночастиц при больших отстройках от плазмонного резонанса близки к характеристикам объемного материала. Вблизи плазмонного резонанса становится существенной зависимость а = а (Л.) - коэффициента поглощения металла от длины волны лазерного излучения. Следовательно, чем ближе частота лазерного излучения к максимуму поглощения \наночастицы, тем выше ее температура. Во время лазерного импульса происходит теплопередача от материала частицы к окружающей жидкости. Это приводит к образованию вокруг нее парового слоя. При достаточно большой пиковой мощности частица может расплавиться и разделиться на части (фрагменты). Фрагментация, по-видимому, обусловлена взаимодействием расплавленной наночастицы с парами окружающей жидкости, которые образуются в результате теплопередачи от наночастицы. Стабильный коллоидный раствор наночастиц золота и серебра в жидкости позволяет наблюдать их плазмонный резонанс.

Характерное давление паров жидкостей при температуре плавления материала мишени составляет около ЮОМПа (1 кбар), так что любая асимметрия парового облака вокруг расплавленной наночастицы может приводить к разрыву последней на более мелкие капли (гидродинамический механизм фрагментации). Очевидно, что сечение поглощения образующихся капель меньше, чем исходной наночастицы, так что при достаточно малых размерах дальнейшая фрагментация приостанавливается при заданном уровне пиковой мощности лазерного излучения. Система лазерное излучение - наночастицы стабилизируется вследствие этой отрицательной обратной связи. Вместе с; тем в этой системе существует и положительная обратная связь, обусловленная уменьшением температуры плавления наночастиц с уменьшением их размеров [38]. Температура плавления наночастиц всегда меньше, чем у «массивного» материала, кроме того, она зависит от формы наночастиц [39-42].

На наночастицу, находящуюся в жидкости воздействуют два конкурирующих' механизма: поверхностное натяжение расплавленной наночастицы стабилизирует ее, тогда как давление паров, окружающей жидкости, как правило, на несколько порядков превышающее давление паров материала частицы, стремится ее дефрагментировать. В первом приближении условие стабильности расплавленной капли в парах жидкости может быть записано следующим образом [43]: 2cr/R~ pva[1, где а - поверхностное натяжение материала капли,./? - ее радиус, а рЩ) - давление паров-окружающей жидкости. В качестве последнего можно взять давление насыщенных паров окружающей жидкости при температуре плавления мишени, что, очевидно, справедливо лишь на начальной стадии расширения парового облака вокруг наночастицы. Это соотношение качественно согласуется, с экспериментально найденной корреляцией между средним размером образующихся наночастиц и температурой кипения (а значит, и давления насыщенных паров) жидкости [44].

Морфология наночастиц, образующихся при лазерной абляции твердых тел в жидкостях, зависит от распределения интенсивности в лазерном пучке. Частицы расплава, покидающие мишень в центре пучка, имеют большую вероятность столкновения между собой, и, следовательно, большую вероятность агрегации. При абляции в жидкостях такая агрегация весьма существенна вследствие малости длины пробега наночастиц, покинувших ванну расплава. Частицы, выбрасываемые с периферии лазерного пучка, попадают непосредственно в жидкость и должны иметь меньшие размеры. В силу этого функция распределения наночастиц по размерам зависит от диаметра лазерного пучка.

Глубина ванны расплава зависит от плотности энергии лазерного пучка и уменьшается с ее уменьшением. Вследствие этого размер наночастиц зависит также и от плотности энергии в лазерном пучке и уменьшается с его уменьшением. Если распределение интенсивности лазерного пучка периодично по одной из координат, то при достаточно малой плотности лазерной энергии, расплавленные участки мишени представляют собой периодические изолированные ванны расплава, вытянутые вдоль другой координаты. Поэтому следует ожидать, что наночастицы, образующиеся при вытеснении таких ванн парами жидкости также будут иметь удлиненную форму [43].

Процесс такого рода может быть реализован при инициировании абляции двумя интерферирующими лазерными пучками. При этом распределение интенсивности периодично по одной из координат, тогда как в перпендикулярном направлении оно зависит от координаты как функция распределения интенсивности в каждом из интерферирующих пучков, например как гауссово распределение [43]. При достаточно малой плотности энергии температура плавления мишени достигается лишь в максимумах интенсивности, что приводит к вытянутой форме наночастиц.

Нелинейное преобразование частоты лазерного излучения может приводить к интересным эффектам самовоздействия лазерного пучка при абляции металлов в жидкостях. Это реализуется при абляции благородных металлов (Ag, Au) в жидкостях излучением с высокой пиковой мощностью. При инициировании абляции этих металлов в жидкостях излучением фемтосекундного титан-сапфирового лазера (длина волны 810 нм) заметно отличие размеров наночастиц Аи и Ag, полученных просвечивающим электронным микроскопом. Средний размер наночастиц Ag оказывается более чем вдвое меньше, чем размер наночастиц Аи. Оптические свойства обоих металлов на длине волны 810 нм практически одинаковы, так как данная длина волны находится далеко от максимума плазмонных резонансов обоих металлов. Причина состоит в нелинейном преобразовании частоты лазерного пучка наночастицами, взвешенными в жидкости. В процессе абляции наблюдается генерация второй гармоники лазерного пучка (405 нм), эффективность которой возрастает по мере наработки (процесс многократного облучения) наночастиц в жидкости. Преобразование во вторую гармонику происходит с очень высокой эффективностью, составляющей десятки процентов. При этом поглощение второй гармоники наночастицами Ag и Аи существенно различное. Для наночастиц Ag вторая гармоника излучения титан-сапфирового лазера попадает практически в максимум плазмонного резонанса, тогда как для наночастиц Аи она заметно отстроена. Поэтому эффективное сечение поглощения нанокластеров серебра на длине волны второй гармоники значительно больше, чем у кластеров золота. При данной пиковой мощности излучения в среде фрагментация наночастиц Ag будет наблюдаться при меньших размерах, чем наночастиц Аи.

Отметим, что такая ситуация не является уникальной, Например, вторая гар-' моника неодимового лазера (длина волны 532 нм) находится ближе к плазмонному резонансу наночастиц Аи, чем к резонансу наночастиц Ag. Поэтому при инициировании абляции этих металлов лазерным излучением с длиной волны 1.06 мкм достаточно высокой пиковой мощности следует ожидать образования наночастиц Аи, заметно меньших наночастиц Ag при прочих равных условиях. Это проявляется, в частности, на спектрах коллоидных растворов, подвергнутых лазерному облучению в отсутствие металлической мишени.

Сам факт генерации второй гармоники ансамблем наночастиц в жидкости является весьма нетривиальным. Несмотря на малый по сравнению с длиной волны излучения размер, эффективность преобразования может быть весьма высокой благодаря высокой плотности наночастиц и концентрации поля вблизи их поверхности. Механизм преобразования частоты рассматривается в ряде моделей [45-48]. Установление точного механизма генерации гармоник ансамблем наночастиц требует дополнительных исследований. Приведенные экспериментальные результаты демонстрируют, что генерация гармоник может заметно влиять на морфологию наночастиц, образующихся при лазерной абляции в жидкостях. При большой пиковой мощности излучения возможна также и каскадная генерация гармоник высших порядков, которые, в свою очередь, могут влиять на свойства образующихся наночастиц, в частности, на их функцию распределения по размерам [43].

В последнее время возрастает интерес к получению наноразмерных структур на самой облучаемой поверхности металла. Абляция под воздействием лазерного излучения происходит в режиме, так. называемой «полузажатой» геометрии (поверхность облучаемой мишени покрыта слоем воды) [49-53]. В этом случае, взаимодействие лазерной плазмы с поверхностью металла определяется множеством факторов и приводит к образованию структур со сложной морфологией, фрактальных структур, пор микронного размера, заполненных наночастицами и т.д. При этом значительно увеличивается эффективная площадь поверхности металла (возрастает контактирующая поверхность, например, катализатора). В этих условиях конденсация паров на поверхности металла приводила к формированию наноразмерных объектов, как фрактальной структуры [4951], так и нанопор с характерной шириной ~ 20 нм [52, 53]. Из цитированных работ следует, что фрактальное наноструктурирование - «текстурирование» поверхности происходит при воздействии на неё третьей гармоники (длина волны 355 нм), а формирование наноразмерных структур на поверхности происходит при её облучении импульсами основной гармоники (длина волны 1064 нм). Морфология полученных нано-структурных образований определяются толщиной и физическими свойствами покрытия, а размеры наноструктур - мощностью лазерного импульса [54, 55] [56, 57].

Воздействие импульсного лазерного излучения на материалы сопровождается большим количеством процессов, таких как нагрев материала, его последующие плавление и интенсивное испарение, генерация волн давления; процессы ионизации окружающего газа и химические превращения на поверхности. В связи с этим, теоретическое описание осложнено.

Рассматривая воздействие лазерного излучения наносекундной длительности на поверхность металла с точки зрения генерации давления в веществе можно условно выделить три режима. При малых плотностях энергии падающего излучения реализуется линейный термоупругий режим воздействия [58], который характеризуется небольшим изменением температуры поверхности и отсутствием фазовых превращений металла. При этом нагрев поверхности и амплитуда акустической волны линейно зависят от интенсивности излучения. При повышении плотности поглощенной энергии нагрев вещества становится значительным, становятся возможными фазовые превращения, при этом их вклад в изменение температуры и давления на поверхности металла является определяющим - наступает нелинейный режим, связанный с фазовыми переходами. При еще больших плотностях энергии вещество ионизуется, образуется плазма, процессы в которой и определяют температуру и давление в веществе - плазменный режим генерации давления. На динамику каждого из перечисленных режимов значительно влияют механические условия на поверхности металла - является ли она акустически свободной или механически нагруженной.

Термоупругий режим генерации давления реализуется при небольших плотнос л стях мощности падающего излучения - до 10 Вт/см . Он исследовался теоретически и экспериментально во многих работах. Было получено аналитическое выражение для полей температуры и давления в веществе при произвольной форме лазерного импульса и произвольных условиях механического нагружения поверхности [58]. В том числе было показано, что при механически нагруженной поверхности металла давление на его поверхности повторяет форму падающего лазерного импульса и генерация давления происходит намного более эффективно, чем в случае свободной поверхности. Аналитические выражения были подтверждены большим количеством экспериментов (см. [58] и цитированную там литературу). В работе [59] проводилось прямое сравнение эффективности генерации давления при свободной и механически нагруженной поверхности металла, было показано, что во втором случае эффективность генерации на два порядка выше, чем в первом. Однако, абсолютные значения давлений, достижимых I в линейном термоупругом режиме невелики - десятки ^ атмосфер при нагреве в десятки градусов. При дальнейшем увеличении интенсивности излучения начинают проявляться нелинейные эффекты, связанные с температурной зависимостью, теплофизических параметров и возникновением фазовых превращений.

Нелинейный режим генерации давления, связанный с температурной зависимостью теплофизических параметров вещества, а также с фазовыми переходами изучен значительно меньше. Большинство работ посвящено исследованию лазерного воздействия на свободную поверхность металла. В этом случае основным процессом, определяющим давление и температуру поверхности, является испарение металла [11]. Интенсивность испарения сильно зависит от температуры поверхности, поэтому с ростом потока падающего излучения вклад испарительного давления становится определяющим. В случае умеренных потоков лазерного излучения - 105-109 Вт/см2, вклад испарительного давления в давление отдачи является основным. При этом интенсивное испарение металла приводит к движению границы раздела между твердой и газообразной фазами вглубь металла и образованию кратера. Такой режим интересен для технологических применений. При этом в процессе абляции определяющим фактором является температурное поле, расчету которого, в том числе и численному, и было посвящено значительное число работ (см., например, [60-63], при этом распределение давления играет второстепенную роль. Было получено аналитическое решение, связывающее скорость движения границы раздела фаз и величину поглощенного потока в стационарном случае в пренебрежении гидродинамикой разлетающегося пара [11]. Испарительное давление было исследовано в работах [64, 65], В этом режиме воздействия температура поверхности составляет несколько тысяч градусов, а давление несколько сотен атмосфер.

В некотором узком диапазоне интенсивностей лазерного излучения сравнимый вклад в поля температуры и давления наряду с испарением дают процессы плавления материала. Такой режим исследовался численно в работах [66, 67]. Были получены распределения температуры и давления в образцах, а также профили акустических волн, убегающих вглубь мишени. Экспериментальное исследование влияния фазовых переходов на форму оптоакуситческих сигналов для полупроводников было проведено в работе [68], было показано, что сигналы давления чувствительны к изменению фазового состояния.

Использование механически нагруженной поверхности в режиме с фазовыми превращениями также приводит к значительному увеличению эффективности генерации давления. Это было показано в работах [69-71]. Однако ни аналитических, ни численных исследований по генерации давления в этом режиме не проводилось.

О "У

При плотностях мощности падающего излучения, превышающих 10 Вт/см характер протекающих процессов изменяется. Внутренняя энергия пара начинает значительно превышать теплоту испарения. Возрастание температуры пара приводит к ионизации и быстрому росту его коэффициента поглощения излучения. В результате происходит экранирование поверхности твердого тела, при этом внутренняя энергия образующейся плазмы еще более возрастает. Это приводит к тому, что гидродинамическое движение плазмы начинает играть важную роль. В случае интенсивных наносе-кундных импульсов профиль плотности лазерной плазмы в случае свободной поверхности формируется за время порядка 5'Ю"10 с [12]. В течение этого времени излучение лазерного импульса поглощается на фронте разлетающейся плазмы (факела). В условиях установившегося режима, когда переходные процессы на фронте лазерного импульса закончились, и сформировался профиль плазмы, лазерное излучение начинает поглощаться вблизи области с критической плотностью (в данном случае это область где гидродинамическая скорость плазмы равна местной скорости звука). Нагретый слой расширяется, что приводит к распространению внутрь металла ударной волны, которая сообщает металлу значительную энергию. Это приводит к испарению металла в волне разгрузки, а затем, по мере затухания ударной волны, к плавлению и механическому разрушению.

Таким образом, в случае свободной поверхности при интенсивности лазерного излучения, достаточной для того, чтобы получить давление в несколько килобар и температуру порядка 1 эВ, неизбежно произойдет образование плазменного факела, который будет препятствовать измерению температуры поверхности по ее тепловому излучению. Этого можно избежать при облучении механически нагруженной поверхности металла слоем прозрачного диэлектрика.

В случае механически нагруженной поверхности также произойдет образование плазмы, ее расширение и генерация ударных волн, однако в этом случае амплитуда давления будет значительно выше. Впервые использовать механическую нагрузку поверхности для увеличения эффективности генерации давления в плазменном режиме было предложено в работе [72]. В этой работе было достигнуто давление равное 30 кбар. При этом использовалось наносекундное излучение значительной интенсивности (2-109 Вт/см2), генерация давления происходила при расширении нагретой плазмы, которая была ограничена прозрачным материалом. Профили давления регистрировались кварцевым пьезодатчиком. В этой же статье были получены простейшие оценки для максимально достижимого давления исходя из баланса энергии (потерями на ионизацию пренебрегали), которые удовлетворительно описывают экспериментальные данные. Вслед за этим последовала целая серия работ посвященных исследованию генерации давления в условиях механического нагружения облучаемой поверхности, применительно к разработке методик ударно-волнового упрочнения материалов. В работе [13] были получены давления в несколько десятков килобар при работе с мишенями из различных металлов, с различными типами нагружающих прозрачных сред. Было проведено численное моделирование происходящих процессов из которых следует, что предельно достижимое давление ограничено сотней килобар. Дальнейший рост давле

9 2 ния при плотностях мощности лазерного излучения превышающих 4-10 Вт/см ограничивает значительное отражение от плотной плазмы и/или оптический пробой прозрачной среды. Результаты численного моделирования хорошо согласовались с экспериментом. Для повышения уровня предельно достижимых давлений было предложено использовать конструктивную интерференцию сигналов давления отраженных от материала с более высоким акустическим импедансом. В работе рассматривался случай нанесения титановой пленки, механически нагруженной кварцевым стеклом, на поверхность молибдена. При этом расчетное значение достижимых давлений превышало 100 кбар. Другим способом повышения давления было предложено облучение механически нагруженной металлической мишени с двух сторон. При этом в центре мишени в результате наложения двух волн давление возрастало в два раза.

В работе [73] впервые изучалось воздействие лазерного излучения пикосе-кундной длительности (~10 пс) на медные фольги (40-250 мкм) зажатые между двумя пластинами кварцевого стекла. Регистрация давления осуществлялась оптическим методом - тыльная сторона мишени являлась зеркалом в одном из плеч интерферометра Майкельсона. Экспериментально было зарегистрировано давление 15 кбар. Однако при сверхкоротком возбуждении ударная волна сильно затухает с расстоянием. При учете этого затухания, было оценено давление в области воздействия - ~300 кбар.

Большое количество работ посвящено исследованию роли взрывного вскипания вещества в процессе лазерной абляции. Термин взрывное вскипание был впервые введен в работе [74] посвященной особенностям взрыва проволочек при пропускании через них мощных импульсов электрического тока. Взрывное вскипание вещества при его нагреве представляет собой «ударный» процесс высокоскоростного образования двухфазной паро-жидкостной смеси, давление пара в которой равно давлению насыщенных паров при данной температуре. Природа взрывного, вскипания определяется процессом гомогенной нуклеации - образовании зародышей при приближении к линии абсолютной термодинамической неустойчивости - спинодали [10]. В работе [75] была рассмотрена возможность наличия указанного процесса при лазерной абляции вещества. Экспериментальным подтверждением являлось резкое увеличение объема вещества, выносимого из зоны облучения (глубины кратера) при превышении некоторого порогового значения энергии лазерного излучения. В работах [76, 77] проводилось исследование режимов абляции и формирования факела методом теневой фотографии. При этом при превышении некоторого порогового значения плотности энергии наблюдался интенсивный вынос вещества из зоны облучения, в виде кластеров, вылетающих с относительно низкой скоростью (порядка скорости звука).

Однако начало процесса выноса кластеров относительно лазерного воздействия в различных экспериментах существенно различался. Так, в работе [76] исследовалась абляция кремния четвертой гармоникой NdrYAG лазера (длина волны 266 нм, длительность импульса 3 не, плотность энергии лазерного излучения 5-400 Дж/см2. При

Л у этом при плотности мощности выше 2.2-10 Вт/см наблюдалось значительное увеличение массы выносимого кремния, связанное с выбросом капель, начинавшееся, согласно данным фотосъемки, спустя 300 не после начала действия лазерного импульса. Предполагаемым объяснением указанного явления является задержка начала взрывного вскипания, которая определяется временем роста зародыша паровой фазы до критических размеров. Кроме того, для объяснения увеличения глубины аблированного слоя вещества, в работе вводится предположение о просветлении жидкого кремния в процессе действия лазерного импульса.

В работе [77] приводятся данные по исследованию взрывного вскипания алюминиевых мишеней под действием излучения Nd:YAG лазера с длительностью импульса 3 не, длина волны 1.064 мкм. В работе использовался импульсный лазер на красителе с длительностью импульса 3 не для получения теневых фотографий поверхности металла с различной временной задержкой относительно момента начала действия лазерного импульса. Было обнаружено пороговое значение плотности энергии лазерного излучения -5.2 Дж/см2.

Таким образом, в плазменном режиме возможно получение давлений в сотни килобар. Однако килобарные давления, соответствующие критическим параметрам металлов можно получить в бесплазменном режиме при значительно меньших плотностях энергии лазерного излучения - в режиме с фазовыми переходами в условиях механически нагруженной поверхности.

Итак, целью настоящей работы является:

Теоретическое и экспериментальное исследование возможности получения состояний металлов с температурами и давлениями близкими к критическим и исследование динамики фазовых переходов типа плавления и кипения при воздействии лазерного излучения наносекундной длительности на поверхность металлов под слоем прозрачного диэлектрика.

Задачи, решаемые в данной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Разработка метода получения околокритических состояний металлов, механически нагруженных прозрачным диэлектриком с использованием лазерного излучения наносекундной длительности.

2. Разработка экспериментальных методов синхронного измерения температуры, давления и отражательной способности поверхности образца, облучаемого лазерным импульсом с наносекундным временным разрешением.

3. Экспериментальное исследование динамики лазерно-индуцированных фазовых переходов первого рода: плавления свинца и кипение ртути.

Научная новизна

1. Показана возможность получения околокритических состояний легкоплавких металлов при воздействии лазерного излучения наносекундной длительности на поверхность металла, покрытого слоем прозрачного диэлектрика.

2. Впервые создана экспериментальная установка, позволяющая проводить одновременные измерения давления, температуры и отражательной способности поверхности материалов, облучаемых лазерным излучением в условиях механически нагруженной поверхности.

3. Проведены экспериментальные исследования давления на поверхности свинцовой и ртутной мишенях. Показано, что при малых плотностях энергии падающего излучения импульс давления повторяет форму лазерного импульса. С увеличением плотности энергии сигнал уширяется, его максимум смещается в область больших времен. Такое поведение сигнала можно связать с началом фазового на поверхности образца.

Практическая ценность

1. Разработана методика получения и исследования свойств состояний металлов с температурами ~1 эВ и давлениями до 10 кбар (в околокритической области фазовой диаграммы) с использованием наносекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности - до 108 Вт/см2.

2. Разработана методика, позволяющая проводить одновременные измерения давления, температуры и отражательной способности поверхности материалов, облучаемых лазерным излучением в условиях механически нагруженной поверхности с на-носекундным временным разрешением.

Защищаемые положения:

1. Воздействие основной гармоники твердотельного Nd:YAG лазера, работающего в режиме модуляции добротности, с длительностью импульса ~ 10 не и плотно

-у стью энергии ~ 200 мДж/см на поверхность легкоплавких металлов — свинца и ртути, механически нагруженных слоем прозрачного диэлектрика, приводит к началу фазового перехода и значительному росту как температуры, так и давления на поверхности вещества, что позволяет получать и исследовать термодинамические состояния, находящиеся в около- и сверхкритической области фазовой диаграммы.

2. Временная форма импульса давления, возбуждаемого на поверхности металла, механически нагруженного слоем прозрачного диэлектрика, лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе, значительно меньшей порогового значения начала фазового перехода, повторяет временную форму лазерного излучения. Превышение порогового значения плотности энергии начала фазового перехода приводит к значительному уширению импульсов давления, что показано на примере свинца и ртути.

3 Воздействие основной гармоники твердотельного Nd:YAG лазера, работающего в режиме модуляции добротности, с длительностью импульса ~ 10 не и плотностью энергии ~ 200 мДж/см на поверхность легкоплавких металлов — ртути и свинца, механически нагруженных слоем прозрачного диэлектрика, приводит к значительному падению отражательной способности поверхности на длине волны лазерного излучения (более чем в пять раз), связанному с увеличением температуры и уменьшением плотности приповерхностного слоя металла.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих 14ти конференциях: X International Conference on Laser and Laser information' technologies: fundamental problems and applications (Smolyan, Bulgaria, 2009); The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (Санкт-Петербург, Россия, 2009); Acoustics'08 Paris (Paris, France, 2008); 1st International Symposium on Laser Ultrasonics (Montreal, Canada, 2008); Пятый международный научный семинар «Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах» (Москва, Россия, 2008); Вторая Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров, Россия, 2008); 8th International Workshop on Subsecond Thermo-physics (Moscow, Russia, 2007); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) / Conference on Lasers, Applications and Technologies (LAT) (Misnk, Belarus, 2007); XIV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, Россия, 2007); XXII Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, Россия, 2007); Четвертый международный научный семинар «Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах» (Москва, Россия, 2007); Вторая международная молодежная школа «Современные проблемы лазерной физики» (Московская область, Россия, 2006); IX International Conference Laser and Laser Information Technologies (ILLA) (Smolyan, Bulgaria, 2006); II Международный семинар «Теплофизические свойства веществ» (Нальчик, Россия, 2006); Научно-координационная сессия «Исследования неидеальной плазмы» (Москва, Россия, 2005).

Основные результаты диссертации изложены в 19 научных публикациях (из них 2 статьи в коллективных монографиях, 1 статья в научном рецензируемом журнале из списка ВАК, 2 статьи в сборниках трудах конференций, 16 тезисов конференций), список которых приведен в конце раздела.

Список опубликованных работ

1. A.A. Karabutov, A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilniy. Phase transitions induced by nanosecond laser pulses in confined geometry. - In: Phase transitions induced by short laser pulses. Ed. by Shafeev G.A., New-York: Nova Publishers, 2010. 229 p.

2. A.A. Карабутов, А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, В.Я. Панченко, Е.В. Сава-теева. Лазерно-индуцированные фазовые переходы на импедансной границе металлов. - В сб.: Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок, М.: Физматлит, 2009. 664 с.

3. А.А Карабутов, А.Г. Каптильный, А.Ю. Ивочкин. Лазерный оптоакустиче-ский метод индуцирования высокоэнергетических состояний и исследования фазовых переходов в металлах при высоких давлениях // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45. № 5. С. 680-687.

4. А.А. Karabutov, A.Yu. Ivochkin, D.M. Ksenofontov, A.G. Kaptil'niy. Laser-induced phase transitions at confined metal surface. - In: Proceedings of The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, 2009, pp. 2-163-2-167.

5. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, А.А. Карабутов. Высокоэнергетические состояния и фазовые переходы, индуцированные мощным лазерным импульсом при облучении импедансной границы металла. - В сб.: Физика экстремальных состояний вещества. Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН, 2007, с. 21-23.

6. А.А. Karabutov, A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilniy, D.M. Ksenofontov. Laser-induced phase transitions at the confined metal surface: applications to surface nanostructur-ing. - In: Program and Abstracts of X International Conference on Laser and Laser information technologies: fundamental problems and applications, 2009, p. 10.

7. A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilniy, A.A. Karabutov. Laser optoacoustic study of near-critical states and phase transitions in metals // Journ. of Acoust. Soc. of Am. 2008. V. 123. № 5. Pt. 2. p. 3928.

8. A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilniy, A.A. Karabutov. Ultrasonic wave excited by laser-induced phase transition. - In: 1st International symposium on laser ultrasonics. Program and abstracts, 2007, p. 54.

9. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, A.A. Карабутов. Исследование околокритических состояний металлов лазерным оптоакустическим методом. - В сб.: Тезисы второй Всероссийской школы по лазерной физике и лазерным технологиям, 2008, с. 2021.

10. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, А.А. Карабутов. Экспериментальное определение температуры при исследовании высокоэнергетических состояний металлов, индуцированных мощным импульсом лазерного излучения. - В сб.: Программа пятого международного научного семинара «Математические модели и моделирование в ла-зерно-плазменных процессах», 2008, с. 11.

И. A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilny, A.A. Karabutov. Near-critical states and phase transitions induced by high power laser irradiation of confined metal surface. - In: 8th International workshop on Subsecond Thermophysics. Book of Abstracts, 2007, p. 44.

12. A.Yu. Ivochkin, A.A. Karabutov, A.G. Kaptilny. Laser opto-acoustic study of phase transitions in metals confined by transparent dielectric. - In: International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) / Conference on Lasers, Applications and Technologies (LAT), ICONO/LAT 2007 Conference Program, 2007, p. 99.

13. А.Ю. Ивочкин. Динамика фазовых переходов, индуцированных лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металла, зажатой слоем прозрачного диэлектрика. - В сб.: Тезисы XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2007, с. 11.

14. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, А.А. Карабутов. Высокоэнергетические состояния и фазовые переходы, индуцированные мощным лазерным импульсом при облучении импедансной границы металла. - В сб.: Тезисы XXII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», 2007, с. 15.

15. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, А.А. Карабутов. Высокоэнергетические состояния и фазовые переходы, индуцированные лазерным излучением наносекундной длительности на импедансной границе металла. - В сб.: Программа четвертого международного научного семинара «Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах», 2007, с. 8.

16. А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, А.А. Карабутов. Динамика фазовых переходов, индуцированных лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности металла под слоем прозрачного диэлектрика. - В сб.: Тезисы Второй международной молодежной школы «Современные проблемы лазерной физики», 2006, с. 13.

17. A.Yu. Ivochkin, A.G. Kaptilny, A.A. Karabutov, I.M. Pelivanov. Dynamics of phase transitions induced at confined metal surface by nanosecond laser pulse. - In: IX International Conference Laser and Laser Information Technologies (ILLA) Program and Abstracts, 2006, p. 7.

18. А.А. Карабутов, А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный. Высокоэнергетические состояния и фазовые переходы в свинце, индуцированные наносекундным лазерным импульсом. - В сб.: Тезисы II Международного семинара «Теплофизические свойства веществ», 2006, с. 5.

19. А.А. Карабутов, А.Ю. Ивочкин, А.Г. Каптильный, И.М. Пеливанов. Экспериментальное исследование высокоэнергетических состояний легкоплавких металлов при квазиизохорическом импульсном лазерном нагреве. — В сб.: Тезисы Научно-координационной сессии «Исследования неидеальной плазмы», 2005, с. 10.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Содержание диссертации

Во введении представлен обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию фазовых переходов и околокритических состояний вещества, индуцированных лазерным излучением. Сформулирована цель и задачи работы, защищаемые положения. Кратко изложено содержание диссертации.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Ивочкин, Александр Юрьевич

Основные результаты работы

1. Теоретически показана возможность получения состояний металлов с температурами ~ 1 эВ и давлениями ~ 10 кбар при воздействии лазерного излучения длительностью ~ 10 не, с плотностью энергии в импульсе 0.1-10 Дж/см на поверхность металла, механически нагруженную слоем прозрачного диэлектрика. Это дает возможность проводить комплексные исследования около и сверхкритических состояний металлов, недоступные, в настоящий момент, для изучения другими методами.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая получать околокритические состояния металлов, воздействуя лазерным излучением длительностью ~ 10 не и плоту ностью энергии до 10 Дж/см на поверхность вещества, механически нагруженную слоем прозрачного диэлектрика, а также проводить одновременные измерения давления, температуры и отражательной способности поверхности с наносекундным временным разрешением.

3. Проведены экспериментальные исследования импульсов давления, возбуждаемых лазерным излучением наносекундной длительности на поверхности свинцовой мишени, механически нагруженной слоем прозрачного диэлектрика. Показано, что временная форма импульса давления, возбуждаемого лазерным излучением с плотностью энергии в импульсе значительно меньшей порогового значения начала фазового перехода, повторяет временную форму лазерного излучения. Превышение порогового значения плотности энергии начала фазового перехода приводит к значительному ушире-нию импульсов давления, что показано на примере свинца и ртути.

4. Показано, что воздействие лазерного излучения длительностью ~ 10 не с плотностью энергии в импульсе ~ 200 мДж/см2 на поверхность легкоплавких металлов - ртути и свинца, механически нагруженных слоем прозрачного диэлектрика, приводит к значительному падению отражательной способности поверхности — более чем в пять раз, связанному с увеличением температуры и уменьшением плотности приповерхностного слоя металла.

5. Исследована динамика изменения температуры и давления на поверхности ртути, механически нагруженной слоем прозрачного диэлектрика, облучаемой лазерным излучением длительностью ~ 10 не с энергией в импульсе до 300 мДж/см2 и построены кривые процесса лазерного нагрева в координатах давление-температура. Показано, что л при плотности энергии лазерного излучения ~ 270 мДж/см , пиковые значения импульсов температуры и давления на поверхности металла составляют 2500 К и 6500 атм соответственно, что соответствует закритической области фазовой диаграммы ртути.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ивочкин, Александр Юрьевич, 2010 год

1. Mintsev V.B., Fortov V.E. Dense plasma properties from shock wave experiments // Journal of Physics A: Mathematical and General. V. 39 (17). 2006. pp. 4319-4327.

2. Фортов B.E. Динамические методы в физике плазмы // УФЫ. Т. 138 (3). 1982. С. 361-411.

3. Красюк И.К., Пашинин П.П., Семенов А.Ю., Фортов В.Е. Изучение теплофизических и механических свойств вещества в экстремальных условиях // Квант, электроника. Т. 33 (7). 2003. С. 593-608.

4. Анисимов С.И., Прохоров A.M., Фортов В.Е. Применение мощных лазеров для исследований вещества при сверхвысоких давлениях // УФН. Т. 142 (3). 1984. С. 395434.

5. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Физика неидеальной плазмы. М.: Физматлит, 2004, 528 с.

6. Фортов В.Е. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 3-1. Термодинамические свойства низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2004, 541 с.

7. Бункин Ф.В. Новое направление лазерной физики оптотермодинамика // Письма в ЖЭТФ. Т. 19 (5). 1974. С. 302-305.

8. Бункин Ф.В., Трибельский М.И. Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью //УФН. Т. 130 (2). 1980. С. 193-239.

9. Розанов В.Б. Лазерный термоядерный синтез: исследования в ФИАНе схем и концепций лазерных мишений // Квант, электроника. Т. 24 (12). 1999. С. 1095-1104.

10. Скрипов В.П. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. М.: Атомиздат, 1980, 207 с.

11. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С. и др. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970, 272 с.

12. Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применения. М.: МИФИ, 2003, 400 с.

13. Fairand В.P., Clauer А.Н. Laser generation of high-amplitude stress waves in materials // J. Appl. Phys. V. 50 (3). 1979. pp. 1497-1502.

14. Kittel C. Introduction to solid state physics. New York: Wiley, 2005, 680 c.

15. Kerker M. The scattering of light and other electromagnetic radiation. New-York: Academic, 1969, 665 c.

16. Kreibig U., M V.V. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer, 1996, 532 c.

17. Kabashin A.V., Meunier M. Laser ablation-based synthesis of nanomaterials // Laser Proc. Matter. V. 2006. pp. 1-36.

18. Neddersen J., Chumanov G., Cotton T.M. Laser ablation of metals: a new method for preparing SERS active colloids // Appl. Spectroscopy. V. 47 1993. pp. 1959-1964.

19. Sibbald M.S., Chumanov G., Cotton T.M. Reduction of cytochrome с by halide-modified, laser-ablated silver colloids // J. Phys. Chem. V. 100 1996. pp. 4672-4678.

20. Yeh M.S., Yang Y.S., Lee Y.P. Formation and characteristics of Cu colloids from CuO powder by laser irradiation in 2-propanol // J. Phys. Chem. В. Y. 103 1999. pp. 68516857.

21. Kamat P.V., Flumiani M., Hartland G.V. Picosecond dynamics of silver nanoclusters. Photoejection of electrons and fragmentation // J. Phys. Chem. В. V. 102 1998. pp. 31233128.

22. Takami A., Kurita H., Koda S. Laser-induced size reduction of noble metal particles // J. Phys. Chem. В. V. 103 1999. pp. 1226-1232.

23. Link S., Burda C., Nikoobakht В., El-Sayed M.A. Laser-induced shape changes of colloidal gold nanorods using femtosecond and nanosecond laser pulses // J. Phys. Chem. B. V. 104 2000. pp. 6152-6163.

24. Abid J.P., Girault H.H., Brevet P.F. Selective structure changes of core-shell gold-silver nanoparticles by laser irradiation: homogeneisation vs. silver removal // Chem. Commun. V. 2001. pp. 829.

25. Toshima N., Yonezawa T. Bimetallic nanoparticles-novel materials for chemical and physical applications //New J. Chem. V. 22 1998. pp. 1179-1201.

26. Toshima N. Reactions in Homogeneous Solutions. N.Y.: Dekker, 2000, c.

27. Creighton J.A., Eadon D.G. Ultraviolet-visible absorption spectra of the colloidal metallic elements // J. Chem. Soc. Faraday Trans. V. 87 1991. pp. 3881-3891.

28. Link S., El-Sayed M. Spectral properties and relaxation dynamics of surface plasmon electronic oscillations in gold and silver nanodots and nanorods // J. Phys. Chem. В. V. 103 1999. pp. 8410-8426.

29. Prochazka M., Mojzes P., Stepanek J. Probing applications of laser-ablated Ag colloids in SERS spectroscopy: improvement of ablation procedure and SERS spectral testing //Anal. Chem. V. 69 1997. pp. 5103-5108.

30. Smova I., Prochazka M., Vlckova B. Surface-enhanced Raman scattering-active systems prepared from Ag colloids laser-ablated in chemically modified aqueous media // Langmuir. V. 14 1998. pp. 4666-4670.

31. Fujiwara H., Yanagida S., Kamat P.V. Visible laser induced fusion and fragmentation of thionicotinamide-capped gold nanoparticles // J. Phys. Chem. В. V. 103 1999. pp. 25892591.

32. Hodak J.H., Henglein A., Giersig M., Hartland G.V. Laser-induced inter-diffusion in AuAg core-shell nanoparticles // J. Phys. Chem. В. V. 104 2000. pp. 11708-11718.

33. Yeh Y.H., Yeh M.S., Lee Y.P., Yeh C.S. Formation of Cu nanoparticles from CuO powder by laser ablation in 2-propanol // Chem. Lett. V. 1998. pp. 1183-1184.

34. Chen Y.H., Yeh C.S. A new approach for the formation of alloy nanoparticles: laser synthesis of gold-silver alloy from gold-silver colloidal mixtures // Chem. Commun. V. 2001. pp. 371-372.

35. Mafune F., Johno J., Takeda Y. Structure and stability of silver nanoparticles in aqueous solution produced by laser ablation // J. Phys. Chem. В. V. 104 2000. pp. 8333-8337.

36. Mafune F., Johno J., Takeda Y. Formation and size control of silver nanoparticles by laser ablation in aqueous solution // J. Phys. Chem. В. V. 104 2000. pp. 9111-9117.

37. Mafune F., Johno J., Takeda Y. Formation of gold nanoparticles by laser ablation in aqueous solution of surfactant // J. Phys. Chem. В. V. 105 2001. pp. 5114-5120.

38. Castro Т., Reifenberg R., Choi E., Andres R.P. Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters // Phys. Rev. В. V. 42 1990. pp. 8548-8556.

39. Wautelet M., Dauchot J.P., Hecq M. Size effects on the phase diagrams of nanoparticles of various shapes // Mater. Sci. Eng. С. V. 23 2003. pp. 187-190.

40. Wautelet M., Dauchot J.P., Hecq M. Phase diagrams of small particles of binary systems: a theoretical approach // Nanotechnol. V. 11 2000. pp. 6-9.

41. Vallee R., Wautelet M., Dauchot J.P., Hecq M. Size and segregation effects on the phase diagrams of nanoparticles of binary systems //Nanotechnol. V. 12 2001. pp. 68-74.

42. Wautelet M. On the shape dependence of the melting temperature of small particles // Phys. Lett. A. V. 246 1998. pp. 341-342.

43. Симакин A.B., Воронов B.B., Шафеев Г.А. Образование наночастиц при лазерной абляции твердых тел в жидкостях // Труды ИОФАН. Т. 60 2004. С. 83-107.

44. Dolgaev S.I., Simakin A.V., Voronov V.V. Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment // Appl. Surf. Sci. V. 186 2002. pp. 546-551.

45. Shafeev G.A., Freysz E., Bozon-Verduraz F. Self-influence of a femtosecond laser beam upon ablation of Ag in liquids // Appl. Phys. A. V. 78 2003. pp. 307-309.

46. Yao L.K., Lue, Tzeng J., Chu H. Quantum size effect on optical second-harmonic generation in small metallic particles // Phys. Rev. В. V. 51 (4). 1995. pp. 2467-2472.

47. Aktsipetrov O.A., Elyutin P.V., Fedyanin A.A. Second-harmonic generation in metal and semiconductor low-dimensional structures // Surf. Sci. Y. 325 (3). 1995. pp. 343-355.

48. Farkas G., Toth C., Neuman K.C., Tittel F.K. Wavelength dependence of harmonic generation efficiency at metal surfaces induced by femtosecond Ti: sapphire laser pulses // Opt. Commun. V. 132 (3-4). 1996. pp. 289-294.

49. Nichols W.T., Sasaki N. Laser ablation of a platinum target in water. I. Ablation mechanisms // J. Appl. Phys. V. 100 2006. pp. 114911.

50. Nichols W.T., Sasaki N. Laser ablation of a platinum target in water. II. Ablation rate and nanoparticle size // J. Appl. Phys. V. 100 2006. pp. 114912.

51. Nichols W.T., Sasaki N. Laser ablation of a platinum target in water. III. Laser-induced reactions // J. Appl. Phys. V. 100 2006. pp. 114913.

52. Lugomer S., Mihaljevic В., Peto G. One-dimensional and two-dimensional arrays of nanoholes generated by laser in the semiconfined configuration // J. Appl. Phys. V. 100 2006. pp.104308

53. Lugomer S., Mihaljevic В., Peto G. Spongelike metal surface generated by laser in the semiconfined configuration // J. Appl. Phys. V. 97 2005. pp. 073305.

54. Бозон-Вердюра Ф., Брайнер P., Воронов В.В. Образование наночастиц при лазерной абляции металлов в жидкостях // Квантовая электрон. Т. 33 (8). 2003. С. 714720.

55. Wang J.B., Yang G.W., Zhang C.Y. Cubic-BN nanocrystals synthesis by pulsed laser induced liquid-solid interfacial reaction // Chem. Phys. Lett. V. 367 2003. pp. 10-14.

56. Melnik N.N., Sadofyev Y.G., Zavaritskaya T.N., Vodop'yanov L.K. Multiphonon relaxation in ZnSe thin films and ZnSe/ZnCdSe MQW structures // Nanotechnol. V. 11 2000. pp. 252-255.

57. Суйковская В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. JL: Химия, 1971,190 с.

58. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991, 304 с.59. vonGutfeld R.J., Melcher R.L. 20-MHz acoustic waves from pulsed thermoelastic expansion of constrained surfaces // Appl. Phys. Lett. V. 30 (6). 1977. pp. 257-259.

59. Gross M.S., Black I., Muller W.H. Computer simulation of the processing of engineering materials with lasers theory and first applications // J. Phys. D. V. 36 (7). 2003. pp. 929-938.

60. Xie J., Kar A. Mathematical modeling of melting during laser materials processing // J. Appl. Phys. V. 81 (7). 1977. pp. 3015-3022.

61. Tokarev V.N., Kaplan A.F. An analytical modeling of time dependent pulsed laser melting // J. Appl. Phys. V. 86 (5). 1999. pp. 2836-2846.

62. Ковалев A.A., Жвавый С.П., Зыков Г.Л. Динамика лазерно-индуцированных фазовых переходов в теллуриде кадмия // ФТП. Т. 39 (11). 2005. С. 1345-1349.

63. Самохин А.А., Успенский А.Б. Испарение вещества под действием лазерного излучения // Препр. ФИАН СССР. Т. 143 1979. С.

64. Самохин А.А. Фазовые переходы первого рода при действии лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды // Труды ИОФАН. Т. 13 (3). 1989. С.

65. Бреславский В.П., Мажукин В.И. Алгоритм численного решения гидродинамического варианта задачи Стефана при помощи динамически адаптирующихся сеток//Математическое моделирование. Т. 3 (10). 1991. С. 104-115.

66. Мажукин В.И., Никифорова Н.М., Самохин А.А. Фотоакустический эффект при плавлении и испарении вещества под действием лазерного импульса // Труды ИОФАН. Т. 60 2004. С. 108-126.

67. Веселовский И.А., Жиряков Б.М., Попов Н.И., Самохин А.А. Фотоакустический эффект и фазовые переходы в полупроводниках и металлах при импульсном воздействии лазерного излучения //Труды ИОФАН. Т. 13 1989. С. 108.

68. Карабутов А.А., Кубышкин А.П., Панченко В.Я., Подымова Н.Б. Динамический сдвиг точки кипения металла при лазерном воздействии // Квант, электроника. Т. 22 (8). 1995. С. 820-824.

69. Карабутов А.А., Каптильный А.Г., Кубышкин А.П. Исследования плавления индия и углерода методом динамического лазерного воздействия // Известия академии наук. Серия физическая. Т. 63 (10). 1999. С. 1934.

70. Карабутов А.А., Кубышкин А.П., Панченко В.Я., Подымова Н.Б., Саватеева Е.В. Оптико-акустическое исследование плавления индия лазерным импульсом под закрытой поверхностью //Квант, электроника. Т. 25 (8). 1998. С. 690-692.

71. Anderholm N.C. Laser-generated stress waves // Appl. Phys. Lett. V. 16 (3). 1970. pp. 113-115.

72. Schoen P.E., Campillo A.J. Characteristics of compressional shocks resulting from picosecond heating of confined foil // Appl. Phys. Lett. V. 45 (10). 1984. pp. 1049-1051.

73. Miotello A., Kelly R. Laser-induced phase explosion: new physical problems when a condensed phase approaches the thermodynamic critical temperature // Appl. Phys. A. V. 69 (7). 1999. pp. S67-S73.

74. Miotello A., Kelly R. Critical assessment of thermal models for laser sputtering at high fluences // Appl. Phys. Lett. V. 67 (24). 1995. pp. 3535-3537.

75. Yoo J.H., Jeong S.H., Greif R. Explosive change in crater properties during high power nanosecond laser ablation of silicon // Journ. Appl. Phys. V. 88 (3). 2000. pp. 16381649.

76. Porneala C., Willis D.A. Observation of nanosecond laser-induced phase explosion in aluminum // Appl. Phys. Lett. V. 89 2006. pp. 211121-1-211121-3.

77. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966, 688 с.

78. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967, 599 с.

79. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана//ЖВМ и МФ. Т. 5 (5). 1965. С. 816-827.

80. Будак Б.М., Соловьева Е.Н., Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задачи Стефана // ЖВМ и МФ. Т. 5 (5). 1965. С. 828-840.

81. Bulgakova N.M., Bulgakov A.V. Pulsed laser ablation of solids: transition from normal vaporization to phase explosion1 // Appl. Phys. A. V. 73 (2). 2001. pp. 199-208.

82. Bulgakova N.M., Bulgakov A.V., Bourakov I.M., Bulgakova N.A. Pulsed laser ablation of solids and critical phenomena // Appl. surface science. V. 96-99 2002. pp. 197198.

83. Скрипов В.П., Скрипов А.В. Спинодальный распад (фазовый переход с участием неустойчивых состояний)//УФН. Т. 128 (2). 1979. С. 193-231.

84. Lorazo P., Lewis L.J., Meunier М. Thermodynamic pathways to melting, ablation, and solidification in absorbing solids under pulsed laser irradiation // Phys. Rev. В. V. 73 2006. pp. 134108.

85. Cheng C., Xu X. Mechanisms of decomposition of metal during femtosecond laser ablation // Phys. Rev. В. V. 72 2005. pp. 165415.

86. Perez D., Lewis L.J. Ablation of solids under femtosecond laser pulses // Phys. Rev. Lett. V. 89 (25). 2001. pp. 255504.

87. Schilling A., Yavas O., Bischof J. Absolute pressure measurement on a nanosecond time scale using surface plasmons // Appl. Phys. Lett. V. 69 (7). 1996. pp. 4159 4161.

88. Канель Г.И., Разноверов C.B., Уткин A.B. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 408 с.

89. Graham R.A., Neilson F.W., Benedick W.B. Piezoelectric current from shock-loaded quartz a submicrosecond stress gauge // Journ. Appl. Phys. V. 36 (5). 1965. pp. 1775-1783.

90. Graham R.A. Piezoelectric current from shunted and shorted guard-ring quartz gauges //Journ. Appl. Phys. V. 46 (5). 1975. pp. 1901-1909.

91. Graham R.A. Strain dependence of longitudinal piezoelectric, elastic, and dielectric constants of x-cut quartz // Phys. Rev. В. V. 6 (12). 1972. pp. 4779-4793.

92. Hayes D.B., Gupta Y.M. Impact response of a shorted guard-ring quartz gauge between 20 and 26 kilobar // Rev. Sci. Instrum. V. 45 (12). 1974. pp. 1554-1556.

93. Jones G.A., Halpin W.J. Shorted guard-ring quartz gauge // Rev. Sci. Instrum. V. 39 (1). 1968. pp. 258-259.

94. Coslovi L., F F.R., Rosso A. Accurate pyrometry with microsecond time resolution // Phys. Rev. E. V. 12 1979. pp. 216-224.

95. Ignatiev M.B., Smurov I.Y., Flamant G., Senchenko V.N. Surface temperature measurements during pulsed laser action on metallic and ceramic materials // Appl. Surf. Sci. V. 96-98 1996. pp. 505-512.

96. Ignatiev M., Smurov I.Y., Flamanta G., Senchenko V., Dozhdikov V. Two-dimensional resolution pyrometer for real-time monitoring of temperature image in laser materials processing//Appl. Surf. Sci. V. 109-110 1997. pp. 498-508.

97. Rekhi S., Tempere J., Silverab I.F. Temperature determination for nanosecond pulsed laser heating // Rev. Sci. Instrum. V. 74 (8). 2003. pp. 3820-3825.

98. Xu X., Grigoropoulos C.P., Russo R.E. Nanosecond-time-resolution thermal emission measurement during pulsed excimer-laser interaction with materials // Appl. Phys. A. V. 621996. pp. 51-59.

99. Chen S., Grigoropoulos C.P. Noncontact nanosecond-time-resolution temperature measurement in excimer laser heating of Ni-P disk substrates // Appl. Phys. Lett. V. 71 (22).1997. pp. 3191-3193.

100. Oertel J.A., Murphy T.J., Berggren R.R. Multipurpose 10 in. manipulator-based optical telescope for Omega and the Trident laser facilities // Rev. Sci. Instrum. V. 70 (1). 1999. pp. 803-805.

101. Miller J.E., Boehly T.R., Melchior A. Streaked optical pyrometer system for laser-driven shock-wave experiments on OMEGA // Rev. Sci. Instrum. V. 78 2007. pp. 034903-1034903-7.

102. Levick A., Lobato K., Edwards G. Development of the laser absorption radiation thermometry technique to measure thermal diffusivity in addition to temperature // Rev. Sci. Instrum. V. 74 (1). 2003. pp. 612-614.

103. Levick A.P., Edwards G.J. A fibre-optic based laser absorption radiation thermometry (LART) instrument for surface temperature measurement // Analytical sciences. V. 17 2001. pp. s438-s441.

104. Koubenakis A., Frankevich V., Zhang J., Zenobi R. Time-resolved surface temperature measurement of MALDI matrices under pulsed UV laser irradiation // Journ. Phys. Chem. V. 108 2004. pp. 2405-2410.

105. Partouche-Sebban D., Holtkamp D.B., Rodriguez P. Alternative calibration techniques for high-speed pyrometers in shock experiments // Rev. Sci. Instrum. V. 76 2005. pp. 0131061-013106-7.

106. Partouche-Sebban D., Holtkamp D.B., Pelissier J.L. An investigation of shock induced temperature rise and melting of bismuth using high-speed optical pyrometry // Shock Waves. V. 11 2002. pp. 385-392.

107. Sapritsky V.I., Ogarev S.A., Khlevnoy B.B. Development of metal-carbon high-temperature fixed-point blackbodies for precision photometry and radiometry // Metrologia. V. 40 2003. pp. S128-S131.

108. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. М.: Наука, 1967, 236 с.

109. Hixson R.S., Winkler М.А., Shaner J.W. Sound speed in liquid lead at high temperatures//Int. Journ. of Thermophysics. V. 7 (1). 1986. pp. 161-165.

110. Mehdipour N., Boushehri A., Eslami H. Prediction of the density of molten metals // J. of non-crystalline solids. V. 351 (16-17). 2005. pp. 1333-1337.

111. Young D.A. A soft-sphere model for liquid metals. Livermore: Lawrence Livermore Lab. Report UCRL-52352, 1977, c.

112. Басин A.C. Основные параметры критической точки металлов с плотноупакованной кристаллической структурой // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Т. 10 2002. С. 83.

113. Вукалович М.П., Иванов А.И., Фокин Л.Р., Яковлев А.Т. Теплофизические свойствартути. М.: Издательство стандартов, 1971, 311 с.

114. Ohse R.W., Tippelskirch H. Critical constants of the elements and of some refractory materials with high critical temperatures (A review) // High. Temp. High Press. V. 9 (4). 1977. pp. 367-385.

115. Руденко O.B., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975,288 с.

116. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.

117. Mostovych A.N., Chan Y. Reflective probing of the electrical conductivity of hot aluminumin the solid, liquid, and plasma phases // Phys. Rev. Lett. V. 79 (25). 1997. pp. 5094-5097.

118. Mott N.F. Metal-insulator transitions. New-York: Taylor & Francis, 1990, c.

119. Григорьев (ред) И.С. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.