Численное моделирование тепловых процессов, возникающих в материалах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе проведено численное исследование решений параболического и гиперболического уравнений теплопроводности при одинаковых физических параметрах, а также сравнительный анализ полученных результатов. Обсуждена математическая постановка задачи. Действие лазера учтено через функцию источника, которую выбрали в виде двойного фемтосекундного лазерного импульса. В гиперболическом уравнении, в отличие от параболического, присутствует дополнительный параметр, который характеризует время релаксации потока тепла. Кроме этого, в источнике гиперболического уравнения присутствует дополнительное слагаемое - производная от плотности мощности источника параболического уравнения. Это означает, что на температуру образца оказывает влияние не только плотность мощности источника, но и скорости его изменения. Приведены профили температуры образца в разные моменты времени и её динамика на разных глубинах мишени. Расчёты проводились при различных временах задержки между импульсами и при различных параметрах релаксации.

Полный текст

Introduction The study of the interaction of femtosecond laser pulses with matter is important in connection with many fundamental problems (physics of non- equilibrium processes, generation of shock waves, laser acceleration of ions, modification of the properties of the irradiated material, etc.) [1]-[3]. Currently, there is a growing need for the creation and improvement of physical models capable of describing various processes in matter. Moreover, computer modeling now occupies one of the main places in the study of such problems. There are two approaches to the study and creation of physical models - atomistic and continuous. Atomistic approaches (molecular dynamics method) allow natural consider- ation of the atomic structure of the crystal lattice, the effect of impurities, the presence of dislocations, the kinetics of phase transitions, etc. The contin- ual approach (solving the equations of continuum mechanics) includes the parabolic and hyperbolic heat equation, the two-temperature model of heat conduction, the two-temperature hydrodynamic model, etc. [2]. The molecular dynamics (MD) method [4] can be used to describe the dynamics of fast processes that arise in a substance under the action of a laser pulse. MD is quite effective for microscopic analysis of the mechanisms of melting and evaporation [5], [6]. The appearance and propagation of pressure waves generated by laser radiation [7], [8], as well as the dynamics of laser ablation [9], are well modeled using the MD. Each approach has its own problems. When studying transport processes within the framework of a parabolic equation, a problem that arises is the infinitely high speed of thermal perturbation propagation (a consequence of the Fourier law). Generalizing the Fourier law, taking into account the relaxation time of the heat flux, we obtain the hyperbolic equation of heat conduction. The relaxation time is a characteristic of nonequilibrium of the heat conduction process. Under exposure to femtosecond pulses, non-equilibrium heating of the material occurs. Therefore, the study of such processes may turn out to be more adequate using the hyperbolic heat equation. In this work, we carried out a numerical study of the physical processes arising under the action of femtosecond laser pulses within the framework of the parabolic and hyperbolic equations of heat conduction and carried out a comparative analysis of the results obtained. Setting of the problem When simulating thermal processes arising in materials under the action of femtosecond laser pulses, we use a hyperbolic model of the heat conduction equation:

×

Об авторах

И. В. Амирханов

Лаборатория информационных технологий Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: camir@jinr.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Sector “Scientific Division of Computational Physics”

ул. Жолио-Кюри, д. 6, Дубна, Московская область, 141980, Россия

Н. Р. Саркер

Лаборатория информационных технологий Объединенный институт ядерных исследований

Email: sarker@jinr.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher “Scientific Division of Computational Physics”

ул. Жолио-Кюри, д. 6, Дубна, Московская область, 141980, Россия

И. Сархадов

Лаборатория информационных технологий Объединенный институт ядерных исследований

Email: ibrohim@jinr.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher “Scientific Division of Computational Physics”

ул. Жолио-Кюри, д. 6, Дубна, Московская область, 141980, Россия

Список литературы

  1. S. L. Sobolev, “Local non-equilibrium transport models,” Physics Uspekhi, vol. 40, no. 10, pp. 1043-1053, 1997, in Russian. DOI: 10.1070/ PU1997v040n10ABEH000292.
  2. S. I. Anisimov and B. S. Luk’yanchuk, “Selected problems of laser ablation theory,” Usp. Fiz. Nauk, vol. 172, no. 3, pp. 301-333, 2002. doi: 10.3367/UFNr.0172.200203b.0301.
  3. V. P. Veiko, M. N. Libensonm, G. G. Chervyakov, and E. B. Yakovlev, Interaction of laser radiation with matter. Power optics [Vzaimodeystviye lazernogo izlucheniya s veshchestvom. Silovaya optika], V. I. Konov, Ed. Moscow: Fizmatlit, 2008, in Russian.
  4. M. P. Allen and D. J. Tildesley, Computer simulation of liquids. Clarendon Press, 1991.
  5. Z. H. Jin, P. Gumbsch, K. Lu, and E. Ma, “Melting mechanisms at the limit of superheating,” Physical Review Letters, vol. 87, p. 055 703, 5 Jul. 2001. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.055703.
  6. F. F. Abraham and J. Q. Broughton, “Pulsed melting of silicon (111) and (100) surfaces simulated by molecular dynamics,” Phys. Rev. Lett., vol. 56, pp. 734-737, 7 Feb. 1986. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.734.
  7. V. Zhigilei and B. J. Garrison, “Pressure Waves in Microscopic Simulations of Laser Ablation,” in Materials Research Society (MRS) Proceedings, vol. 538, Cambridge University Press, 1998, pp. 491-496. DOI: 10.1557/ PROC-538-491.
  8. J. I. Etcheverry and M. Mesaros, “Molecular dynamics simulation of the production of acoustic waves by pulsed laser irradiation,” Phys. Rev. B, vol. 60, pp. 9430-9434, 13 Oct. 1999. doi: 10.1103/PhysRevB.60.9430.
  9. L. V. Zhigilei and B. J. Garrison, “Microscopic mechanisms of laser ablation of organic solids in the thermal and stress confinement irradiation regimes,” Journal of Applied Physics, vol. 88, no. 3, pp. 1281-1298, 2000. doi: 10.1063/1.373816.
  10. A. V. Lykov, Heat and Mass Transfer [Teplomassoobmen], 2nd. Moscow: Energiya, 1978, in Russian.
  11. P. Vernott, “Les paradoxes de la théorie continue de l’équation de la chaleur,” Comptes rendus de l’Académie des Sciences, vol. 246, no. 22, pp. 3154-3155, 1958.
  12. E. M. Kartashov and V. A. Kudinov, Analytical methods of the theory of heat conduction and its applications [Analiticheskiye metody teorii teploprovodnosti i yeye prilozheniy]. Moscow: LENAND, 2018.
  13. V. B. Fokin, “Continuous-automaton model and its application for numerical calculation of the effect of single and double femtosecond laser pulses on metals [Kontinual’no-atomaticheskaya model’ i yeye primeneniye dlya chislennogo rascheta vozdeystviya odinochnogo i dvoynogo femtosekundnogo lazernogo impul’sa na metally],” in Russian, Candidate of Sci. in Phys. and Math. (PhD) Thesis, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, 2017.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Амирханов И.В., Саркер Н.Р., Сархадов И., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.