Математическое моделирование лазерной абляции алюминия наносекундным импульсом. Давыдов Роман Вадимович

Одним из наиболее распространённых лазерных методов получения наночастиц и наноструктур является импульсная лазерная абляция твердых мишеней, находящихся в вакууме или в окружающем газе или в жидкости [3]. Лазерная абляция – это довольно простой, прямой и быстрый способ синтеза наночастиц, который позволяет получать частицы различного типа. В этом методе не требуются большие времена для проведения химических реакций, а также высокие температуры и давления, характерные для химического синтеза. Кроме того, нет необходимости использовать токсичные или взрывоопасные химические исходные вещества. В случае, когда генерация наночастиц осуществляется в воде, получаемые коллоидные растворы являются сверхчистыми и не содержат побочных продуктов реакции, что содействует биологическим или биохимическим применениям наночастиц на практике.

Метод лазерной абляции применим практически с неограниченной комбинацией материалов мишеней и жидкостей, что позволяет осуществлять синтез наночастиц в подобранной среде. В связи с этим большой интерес представляет математическое моделирование этого метода [4]. Свойства генерируемых наночастиц – распределение по размерам, форма, состав и структура для каждого материала мишени зависят от параметров лазера, используемого для абляции (длины волны излучения, длительности и частоты импульса, энергии в импульсе).

Для проведения моделирования сейчас часто используют гидродинамическую модель [1], с использованием широкодиапазонных уравнений состояния, которые во многом влияют на точность решения. Используя ранее разработанное уравнение состояния [2], в работе проведено моделирование лазерной абляции алюминия наносекундным импульсом в воде и воздухе, на основе двумерной гидродинамической модели и полуэмпирического уравнения состояния алюминия. Проведено сравнение с данными по глубине и форме кратера, образующегося после абляции мишени, получено хорошее согласование с экспериментом.

1. 
   Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // УФН. 2002. Т. 172, № 3, c. 301–333.
   
2. 
   Антонов В.И., Давыдов Р.В., Калинин Н.В. Широкодиапазонные уравнения состояния алюминия и меди для моделирования воздействия лазерного излучения на вещество // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2014. 1(190), c. 198 – 203.
   
3. 
   Макаров Г.Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии // УФН. 2013. Т. 183, № 7. c. 673-718.
   
4. 
   Benxin Wu, Shin, Y.C. Two dimensional hydrodynamic simulation of high pressures induced by high power nanosecond laser-matter interactions under water. // Journal of Applied Physics. 2007. Vol 101, p. 56-64.