Роль геометрических параметров при фемтосекундной лазерной абляции


Просмотр статьи
PDF, 1,1 МБ

Geometrical constrains and femtosecond laser ablation

Femtosecond laser irradiation of sufficient energy creates various structures on the surface of the irradiated target, which find important technological applications. In the paper the influence of geometrical parameters (laser beam radius and the film thickness) and the energy absorbed by the target on the morphology of the surface structures is investigated. Two cases are studied. In the first case, the film is thick (bulk target), and the laser beam radius is much greater than the wavelength of optical radiation. In the second case, on the contrary, the film is thin and the beam radius is also small  of the order of light wavelength. In the first case a thin shell (spalled layer) is separated from the target and flies with approximately constant speed away from the target surface. In the work results of calculations of the dynamics of the shell motion are presented. On the surface of the target the nanorelief remains, which is formed due to mechanical foaming of the molten metal layer, capillary decay of the expanding foam and freezing of flying remnants of the destroyed foam directly in the process of their movement. Effects related to the surface tension of the hot molten metals are significant to a great extent in the second case too. Because of strongly focused laser pulse an irradiated spot on the film melts, swells and solidifies in the form of cupola, which may be sharp at the top.

molecular dynamics method, method Monte-Carlo, laser ablation

Наиль Алимович Иногамов, Василий Викторович Жаховский, Виктор Александрович Хохлов, Константин Владимирович Хищенко, Юрий Васильевич Петров, Денис Константинович Ильницкий, Кирилл Петрович Мигдал

Том 15, выпуск 5, 2014 год



Фемтосекундное лазерное воздействие достаточной энергетики формирует разнообразные структуры на поверхности облучаемой мишени, что находит применение в важных технологических приложениях. В работе рассматривается влияние геометрических параметров (радиус лазерного пучка и толщина пленки) и поглощенной мишенью энергии на морфологию поверхностных структур. Изучены два случая. В первом случае пленка толстая (объемная мишень) и радиус пучка намного превышает длину волны оптического излучения. Во втором случае наоборот пленка тонкая, а радиус пучка мал - порядка длины световой волны. В первом случае от поверхности мишени отслаивается тонкая оболочка (откольный слой), которая летит с примерно постоянной скоростью, удаляясь от поверхности мишени. В работе приводятся результаты расчетов, в которых изучается динамика разлета оболочки. На поверхности мишени остается нанорельеф, который образуется вследствие механического вспенивания расплавленного слоя металла, капиллярного распада расширяющейся пены и замораживания летящих остатков разрушенной пены прямо в процессе их движения. Эффекты, связанные с поверхностным натяжением горячих расплавов металлов весьма существенны и во втором случае. В результате остросфокусированного ультракороткого лазерного воздействия облученное пятно пленки плавится, вздувается и затвердевает в виде купола, который может иметь морфологические особенности, например, в виде заострения на вершине.

молекулярно-динамическое моделирование, метод Монте-Карло, лазерная абляция

Наиль Алимович Иногамов, Василий Викторович Жаховский, Виктор Александрович Хохлов, Константин Владимирович Хищенко, Юрий Васильевич Петров, Денис Константинович Ильницкий, Кирилл Петрович Мигдал

Том 15, выпуск 5, 2014 год



1. Анисимов С.И., Капелиович Б.Л., Перельман Т.Л. Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких лазерных импульсов // ЖЭТФ, 1974, Т.66. С. 776-779.
2. Hofled J., Wellershoff S.-S., Guedde J., Conrad U., Jaehnke V., Matthias E. Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals // Chemical Physics, 2000, Vol.251, Pp. 237–258.
3. Temnov V.V., Sokolowski-Tinten K., Zhou P., von der Linde D. Ultrafast imaging interferometry at femtosecond laser excited surfaces // J. Opt. Soc. Am. B, 2006, Vol.23, N.9, Pp. 1954-1964.
4. Sokolowski-Tinten K., Bialkowski J., Cavalleri A., von der Linde D., Oparin A., Meyerter-Vehn J., Anisimov S.I. Transient states of matter during short pulse laser ablation // Phys. Rev. Lett., 1998, V.81, Pp. 224–227.
5. Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Anisimov S.I., Oparin A.M., Shaposhnikov N.V., von der Linde D., Meyer-ter-Vehn J. Expansion of matter heated by an ultrashort laser pulse // JETP Lett., 1999, V.69, Pp. 310-316.
6. Zhakhovskii V.V., Nishihara K., Anisimov S.I., Inogamov N.A. Molecular-dynamics simulation of rarefaction waves in media that can undergo phase transitions // JETP Lett., 2000, V.71, Pp.167-172.
7. Antoun T., Seaman L., Curran D.R., Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V. Spall Fracture. Springer. 2003.
8. Kanel G.I., Razorenov S.V., Fortov, V.E. Shock-Wave Phenomena and the Properties of Condensed Matter. Springer. 2004.
9. Агрaнaт M.Б., Aнисимов С.И., Aшиткoв С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.A., Koмaрoв П.С., Oвчинникoв A.В., Фoртoв В.E., Хoхлoв В.A., Шепелев В.В. Прочностные свойства расплава алюминия в условиях экстремально высоких темпов растяжения при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ, 2010, Т.91, С.517-523.
10. Ашитков С.И., Агранат М.Б., Канель Г.И., Комаров П.С., Фортов В.Е. Поведение алюминия вблизи предельной теоретической прочности в экспериментах с фемтосекундным лазерным воздействием // Письма в ЖЭТФ, 2010, Т.92, С.568-573.
11. Жаховский В.В., Иногамов Н.А. Упруго-пластические явления в ультракоротких ударных волнах // Письма в ЖЭТФ, 2010, Т.92, С.574-579.
12. Zhakhovsky V.V., Budzevich M.M., Inogamov N.A., Oleynik I.I., and White C.T. Two-zone elastic-plastic single shock waves in solids // Phys. Rev. Lett., 2011, Vol.107, 135502.
13. Lorazo P., Lewis L.J, Meunier M. Thermodynamic pathways to melting, ablation, and solidification in absorbing solids under pulsed laser irradiation // Phys. Rev. B, 2006, V.73, 134108.
14. Povarnitsyn M.E., Itina T.E., Sentis M., Khishchenko K.V., Levashov P.R. Material decomposition mechanisms in femtosecond laser interactions with metals // Phys. Rev. B, 2007, V.75, 235414.
15. Perez D., Béland L. K., Deryng D., Lewis L. J., Meunier M. Numerical study of the thermal ablation of wet solids by ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B, 2008, V.77, 014108.
16. Upadhyay A.K., Inogamov N.A., Rethfeld B., Urbassek H.M. Ablation by ultrashort laser pulses: Atomistic and thermodynamic analysis of the processes at the ablation threshold // Phys. Rev. B, 2008, V.78, 045437.
17. Zhigilei L.V., Lin Z., Ivanov D.S. Atomistic Modeling of Short Pulse Laser Ablation of Metals: Connections between Melting, Spallation, and Phase Explosion // J. Phys. Chem. C, 2009, V.113, Pp. 1892–11906.
18. Demaske B.J., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A., Oleynik I.I. Ablation and spallation of gold films irradiated by ultrashort laser pulses // Phys. Rev. B, 2010, V.82, 064113.
19. Gill-Comeau M. and Lewis L.J. Ultrashort-pulse laser ablation of nanocrystalline aluminum // Phys. Rev. B, 2011, V.84, 224110.
20. Demaske B.J., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A., Oleynik I.I. Ultrashort shock waves in nickel induced by femtosecond laser pulses // Phys. Rev. B, 2013, V.87, 054109.
21. Inogamov N.A., Zhakhovskii V.V., Ashitkov S.I., Petrov Yu.V., Agranat M.B., Anisimov S.I., Nishihara K., Fortov V.E. Nanospallation induced by an ultrashort laser pulse // JETP, 2008, V.107, Pp.1-19.
22. Anisimov S.I., Inogamov N.A., Petrov Yu.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, 2008, V.92, Pp. 939–943.
23. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I., Nishihara K. Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials // Appl. Surf. Sci., 2009, Vol.255, N24, Pp.9592-9596 (2009).
24. Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Zhakhovsky V.V., Khokhlov V.A., Demaske B.J., Ashitkov S.I., Khishchenko K.V., Migdal K.P., Agranat M.B., Anisimov S.I., Fortov V.E., Oleynik I.I. Two-temperature thermodynamic and kinetic properties of transition metals irradiated by femtosecond lasers // Intern. Symp. High Power Laser Ablation 2012; AIP Conf. Proc., 2012, Vol.1464, Pp. 593-608; doi: 10.1063/1.4739912.
25. Schaefer C., Urbassek H.M., Zhigilei L.V. Metal ablation by picosecond laser pulses: A hybrid simulation // Phys. Rev. B, 2002, Vol.66, 115404.
26. Leveugle E., Ivanov D.S., Zhigilei L.V. Photomechanical spallation of molecular and metal targets: molecular dynamics study // Appl. Phys. A, 2004, Vol.79, Pp. 1643–1655.
27. Chen J., Tomov I.V., Elsayed-Ali H.E., Rentzepis P.M. Hot electrons blast wave generated by femtosecond laser pulses on thin Au(111) crystal, monitored by subpicosecond X-ray diffraction // Chemical Physics Letters, 2006, Vol.419, Pp. 374–378.
28. Gan Yo., Chen J.K. An atomic-level study of material ablation and spallation in ultrafast laser processing of gold films // J. Appl. Phys., 2010, Vol.108, 103102.
29. Gan Yo., Chen J.K. Thermomechanical wave propagation in gold films induced by ultrashort laser pulses // Mechanics of Materials, 2010, Vol.42, Pp. 491–501.
30. Chen J., Chen W.-K., and Rentzepis P.M. Blast wave and contraction in Au(111) thin film induced by femtosecond laser pulses. A time resolved x-ray diffraction study // J. Appl. Phys., 2011, Vol.109, 113522.
31. Fal'kovsky L.А., Mishchenko Е.G. Electron-lattice kinetics of metals heated by ultrashort laser pulse // ЖЭТФ, 1999, Т.115, N1, С.149-157.
32. Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Khokhlov V.A., Ashitkov S.I., Emirov Yu.N., Khichshenko K.V., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Ishino M., Kando M., Hasegawa N., Nishikino M., Komarov P.S., Demaske B.J., Agranat M.B., Anisimov S.I., Kawachi T., Oleynik I.I. Ultrafast lasers and solids in highly excited states: results of hydrodynamics and molecular dynamics simulations // J. Phys.: Conf. Ser., 2014, Vol.510, 012041.
33. Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Khokhlov V.A., Demaske B.J., Khishchenko K.V., and Oleynik I.I. Two-temperature hydrodynamic expansion and coupling of strong elastic shock with supersonic melting front produced by ultrashort laser pulse // J. Phys.: Conf. Ser., 2014, Vol.500, 192023.
34. Ilnitsky D.K., Khokhlov V.A., Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Petrov Yu.V., Khishchenko K.V., Migdal K.P., and Anisimov S.I. Two-temperature hydrodynamics of laser-generated ultrashort shock waves in elasto-plastic solids // J. Phys.: Conf. Ser., 2014, Vol.500, 032021.
35. Petrov Yu. V., Migdal K.P., Inogamov N. A., Zhakhovsky V. V. Two-temperature equation of state for aluminum and gold with electrons excited by a ultrashort laser pulse // Appl. Phys. B: Lasers and Optics, sent to Journal.
36. Норман Г.Э., Стариков С.В., Стегайлов В.В. Атомистическое моделирование лазерной абляции золота: эффект релаксации давления // ЖЭТФ, 2012, Т.141, N5, С.910-918.
37. Norman G., Starikov S., Stegailov V., Fortov V., Skobelev I., Pikuz T., Faenov A., Tamotsu S., Kato Y., Ishino M., Tanaka M., Hasegawa N., Nishikino M., Ohba T., Kaihori T., Ochi Y., Imazono T., Fukuda Y., Kando M., and Kawachi T. Nanomodification of gold surface by picosecond soft x-ray laser pulse // J. Appl. Phys., 2012, Vol.112, 013104.
38. Norman G. E., Starikov S.V., Stegailov V.V., Saitov I.M., and Zhilyaev P.A. Atomistic Modeling of Warm Dense Matter in the Two-Temperature State // Contrib. Plasma Phys., 2013, Vol.53, N2, Pp. 129-139.
39. Starikov S.V., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Skobelev I.Yu., Fortov V.E., Tamotsu S., Ishino M., Tanaka M., Hasegawa N., Nishikino M., Kaihori T., Imazono T., Kando M., Kawachi T. Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces // Appl. Phys. B: Lasers and Optics, 2014, Vol.116, N4, Pp. 1005-1016.
40. Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Ashitkov S.I., Emirov Yu.N., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Ishino M., Kando M., Hasegawa N., Nishikino M., Kawachi T., Agranat M.B., Andriash A.V., Kuratov S.E., Oleynik I.I. Surface nano-structuring produced by spallation of metal irradiated by ultrashort laser pulse // J. Phys. Conf. Ser., 2014, Vol.500, 112070.
41. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Nishihara K. New mechanism of the formation of the nanorelief on a surface irradiated by a femtosecond laser pulse // JETP Lett., 2008, Vol.87, N8, Pp.423-427.
42. Zhakhovskii V., Inogamov N., Nishihara K. Laser ablation and spallation of crystalline aluminum simulated by Molecular Dynamics // J. Phys.: Conf. Ser., 2008, Vol.112, 042080.
43. Ashitkov S.I., Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Emirov Yu.N., Agranat M.B., Oleinik I.I., Anisimov S.I., and Fortov V.E., Formation of Nanocavities in Surface Layer of Aluminum Target irradiated by Femtosecond Laser Pulse // JETP Letters, 2012, Vol.95, N4, Pp. 176-181.
44. Chan W.-L., Averback R.S., Cahill D.G., and Ashkenazy Yi. Solidification Velocities in Deeply Undercooled Silver // Phys. Rev. Lett., 2009, Vol.102, 095701.
45. Chan W.-L., Averback R.S., Cahill D.G., and Lagoutchev A. Dynamics of femtosecond laser-induced melting of silver // Phys. Rev. B, 2008, Vol.78, 214107.
46. Inogamov N.A., Zhakhovsky V.V., Faenov A.Y., Khokhlov V.A. , Shepelev V.V., Skobelev I.Y., Kato Y., Tanaka M., Pikuz T.A., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Fukuda Y., Bulanov S.V., Kawachi T., Petrov Y.V., Anisimov S.I., Fortov V.E. Spallative ablation of dielectrics by X-ray laser // Appl. Phys. A, 2010, Vol.101, N1, P.87-96; arXiv:0912.3184 [physics.optics].
47. Wu Ch., Zhigilei L.V. Microscopic mechanisms of laser spallation and ablation of metal targets from large-scale molecular dynamics simulations // Appl. Phys. A, 2014, Vol.114, Pp. 11–32.
48. Unger C., Koch J., Overmeyer L., and Chichkov B.N. Time-resolved studies of femtosecond-laser induced melt dynamics // Optics Express, 2012, Vol.20, N22, 24864.
49. Nakata Yo., Tsuchida K., Miyanaga N., Okada T. Nano-Sized and Periodic Structures Generated by Interfering Femtosecond Laser // Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 2008, Vol.3, N2, Pp. 63-66.
50. Емельянов В.И., Заярный Д.А., Ионин А.А., Киселева И.В., Кудряшов С.И., Макаров С.В., Нгуен Ч.Т.Х., Руденко А.А. Наномасштабная гидродинамическая неустойчивость расплава при абляции тонкой пленки золота фемтосекундным лазерным импульсом // Письма ЖЭТФ, 2014, Т.99, N9, С.601-605.
51. Анисимов С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Нишихара К., Опарин А.М., Петров Ю.В. Разрушение твердой пленки в результате действия ультракороткого лазерного импульса // Письма ЖЭТФ, 2003, Т.77, N11, С.731-736.
52. Anisimov S.I., Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Nishihara K., Petrov Yu.V. Simulation of the expansion of a crystal heated by an ultrashort laser pulse // Appl. Surf. Sci., 2007, Vol.253, N15, Pp. 6390-6393.
53. Inogamov N.A. and Zhakhovskii V.V. Formation of Nanojets and Nanodroplets by an Ultrashort Laser Pulse at Focusing in the Diffraction Limit // JETP Lett., 2014, Vol.100, N1, Pp.4–10.
54. Ashitkov S.I., Komarov P.S., Ovchinnikov A.V., Struleva E.V., Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Agranat M.B. Ablation and nanostructuring of metals by femtosecond laser pulses // Quantum Electronics, 2014, Vol.44, N6, Pp. 535-539.
55. Zywietz U., Reinhardt C., Evlyukhin A.B., Birr T., Chichkov B.N. Generation and patterning of Si nanoparticles by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A, 2014, Vol. 114, Pp.45-50.
56. Zywietz U., Evlyukhin A.B., Reinhardt C., Chichkov B.N. Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses // Nature Comm., 2014, 5:3402 doi:10.1038/ ncomms4402.
57. Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Хохлов В.А., Струеобразование при отрыве металлической пленки от подложки в результате воздействия фемтосекундного лазерного импульса // ЖЭТФ, 2015, Т.147, N.1, С.20-56.
58. Ivanov D.S., Kuznetsov A.I, Lipp V.P., Rethfeld B., Chichkov B.N., Garcia M.E., Schulz W. Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment // Appl. Phys. A, 2013, Vol.111, Pp. 675-687.
59. Ivanov D.S., Rethfeld B.C., O’Connor G.M., Glynn T.J., Volkov A.N., Zhigilei L.V. The mechanism of nanobump formation in femtosecond pulse laser nanostructuring of thin metal films // Appl. Phys. A, 2008, Vol.92, P.791.