Свойства неидеальной плазмы и динамика ударных волн при нагреве металлических мишеней фемтосекундными лазерными импульсами Комаров, Павел Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы

Неидеальная плазма с плотностью, близкой к твердотельной, высокой кратностью ионизации и высокой температурой (до ~10³эВ) является сложным объектом для теоретического исследования. Это происходит из-за того, что сильное межчастичное взаимодействие затрудняет применение традиционных методов теоретической физики. Для построения достоверных численных моделей необходимо наличие результатов экспериментальных исследований.

Вследствие малой длительности импульса и фокусировки излучения в пятно размером до нескольких микрометров могут достигаться сверхсильные световые поля с интенсивностью до 10¹⁹-10²⁰ Вт/см², недоступные для получения другими методами. Использование фемтосекундных импульсов высокой интенсивности делает возможным изучение фундаментальных свойств вещества в экстремальных и сильно неравновесных состояниях.

Воздействие фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10¹⁴-Н0¹⁵ Вт/см² на твердотельные мишени приводит к образованию в тонком приповерхностном слое на начальной стадии (~10"¹³-И0"¹² с) неидеальной плазмы с температурой 10*100 эВ [1-6], плотностью, близкой к твердотельной, и высокой кратностью ионизации. Полученная таким способом, плазма представляет собой большой научный интерес, но экспериментальные исследования ее затруднены, так как требуют проведения измерений в субпикосекундном временном интервале от начала действия нагревающего лазерного импульса в условиях неразвитого гидродинамического разлёта.

Одним из экспериментальных методов исследования свойств плазмы является оптический метод измерения параметров комплексного коэффициента отражения. Диагностика плазмы с помощью pump-probe-методики, позволяет получать данные с высокой точностью в субпикосекундном временном интервале. Полученные результаты позволят определять параметры (оптические свойства и коэффициенты переноса) неоднородной плазмы в условиях неразвитого гидродинамического разлета в субпикосекундном временном интервале.

При воздействии фемтосекундного лазерного излучения на металлы, кроме образования плазмы (при интенсивностях выше ~10¹³ Вт/см²), происходит быстрый лазерный нагрев вещества при недостаточном времени для его расширения. Это приводит к росту давления, что в свою очередь приводит к появлению волны сжатия, распространяющейся вглубь облучаемой мишени. Отражение импульса сжатия от свободной поверхности тела приводит к появлению растягивающих напряжений во внутренних сечениях испытуемого образца. Диагностика ударно-волновых явлений и определение величин динамического предела упругости и растягивающего

напряжения при отколе осуществляются путем измерения профиля скорости свободной поверхности мишени.

Мощные фемтосекундные лазерные импульсы в этом отношении представляются уникальным инструментом как для создания ударной нагрузки ультракороткой длительности, так и для диагностики быстропротекающих процессов в момент образования и начальной стадии выхода ударной волны на поверхность тонкой мишени. Создаваемые мощными фемтосекундными лазерами скорости деформирования вещества на порядки превышают скорости, которые могут быть получены путем механического воздействия. Таким путем можно получать рекордные величины скоростей растяжения, исследовать прочностные свойства материалов при приближении прочности к «идеальной».

Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование параметров неидеальной плазмы и ударно-волновых процессов, возникающих при воздействии на металлические мишени фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10¹³-*-10¹⁵ Вт/см², а также исследование прочностных свойств металлов в условиях высокоскоростного деформирования.

Для достижения поставленных целей в настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Разработка методики, создание экспериментальной схемы для измерения динамики высокоскоростных деформаций поверхности мишени при выходе лазерно-индуцированной ударной волны.

2. Проведение экспериментальных исследований генерации ударных волн при воздействии на металлические пленки фемтосекундных лазерных импульсов.

3. Проведение исследований прочностных свойств металлов при экстремально высоких (более 10⁹ с"¹) скоростях деформирования.

4. Разработка и создание интерферометрической схемы измерений для исследования оптических свойств и гидродинамического движения плазмы, возникающей при воздействии на твердотельные мишени мощных фемтосекундных лазерных импульсов в вакууме.

5. Проведение диагностики в субпикосекундном временном интервале комплексного коэффициента отражения плазмы, возникающей при воздействии на различные металлы фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10¹³-10¹⁵Вт/см².

Научная новизна работы

6. Для исследования динамики распространения ударной волны была разработана методика измерения смещения свободной поверхности, позволяющая определять скорость распространения и массовую скорость ударной волны.

7. Впервые определена откольная прочность металлов с рекордными темпами растяжения (до 10⁹ с"¹) при воздействии на них фемтосекундных лазерных импульсов.

8. Экспериментально получены оценки скорости распространения и массовой скорости ударной волны. На основе полученных данных было показано, что волна является упругой.

9. Впервые разработана экспериментальная схема для исследования изменения амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы в вакууме при высоких интенсивностях (/>10¹⁴ Вт/см²) в начальный момент ее образования с фемтосекундным временным разрешением.

10. Экспериментально получены временные зависимости изменений амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы (на длине волны зондирующего импульса), образующейся на поверхности мишеней AI и Ад при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, в диапазоне интенсивностей / = 5-10¹³-И,5-10¹⁵ Вт/см², в субпикосекундном интервале времени.

Практическая ценность

Результаты работы могут быть использованы для построения моделей процессов, происходящих в звездах и недрах планет, в лабораторных источниках плазмы. Результаты исследований динамики образования и распространения ударных волн в металлах могут быть применены для определения прочностных свойств при сверхвысоких скоростях нагружения.

Защищаемые положения

11. Временные зависимости амплитуды и фазы комплексного коэффициента отражения плазмы в начальной момент ее образования при воздействии на мишени, фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 10¹⁴-И0¹⁵ Вт/см² .

12. Методика измерений смещения поверхностного слоя с высоким пространственным разрешением для исследования динамики распространения ударных волн, создаваемых фемтосекундными лазерными импульсами.

13. Результаты измерений скорости распространения u_Sh, массовой скорости и_р и давления Psh, при выходе ударной волны на свободную поверхность, полученные при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на тонкие пленки металлов.

Экспериментально показан упругий характер ударной волны при таком способе возбуждения.

4. Определена откольная прочность пленок алюминия при скорости растяжения (1±0,2)-10⁹ с"¹, которая составляет величину а*= (6,8+1,1) ГПа.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях: 8th International Workshop on Subsecond Thermophysics.Moscow, Russia, September 26-28, 2007, Moscow, 2007, 9th Annual Conference on Laser Ablation COLA 2007, September 24-28, 2007, Tenerife, Spain Technical Program; 5-й Российский симпозиум "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" (тезисы докладов, с.21-22, 23 июля-1августа 2007г., Н.Афон, Абхазия; "Физика экстремальных состояний вещества - 2007", Кабардино-Балкарская респ., п. Эльбрус; Proceedings of the "Topical meeting on optoinformatics' 2008", St.Peterburg 15-18 September 2008; XXIII Международная конференция "Уравнение состояния вещества". 1-6 марта 2008 г. п. Эльбрус, Россия; High-Power Laser Ablation VII: 20-24 April 2008, Sagebrush Inn, Taos, New Mexico, USA. Опубликовано 5 работ в реферируемых изданиях.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись разработка экспериментальных схем, проведение экспериментальных исследований, а также обработка данных и интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 97 страницах, включает 42 рисунка и список литературы (общее число ссылок 78).

Похожие диссертации на Свойства неидеальной плазмы и динамика ударных волн при нагреве металлических мишеней фемтосекундными лазерными импульсами

Расчет термодинамических свойств плотной плазмы металлов методом функционала плотности и квантовой молекулярной динамикиМинаков Дмитрий Вячеславович

Влияние плазмы на динамику вихрей и формирование ударных волн в газе, решение оптимизационных задач плазменного обтеканияГерасимов Николай Андреевич

Влияние высокочастотных волн в плазме холловского двигателя на динамику электронной компонентыТомилин, Дмитрий Андреевич

Нелинейная динамика волн, возбуждаемых плотным пучком электронов в ограниченной плазме Панин Владимир Алексеевич

Генерация быстрых ионов и рентгеновского излучения при взаимодействии интенсивных ультракоротких лазерных импульсов с твердотельными мишенямиЧефонов, Олег Владимирович

Экспериментальные исследования неидеальной плазмы, образующейся на поверхности металлических мишеней при воздействии фемтосекундных лазерных импульсовСитников Дмитрий Сергеевич

Коллективные свойства плазмы токового разряда в стелларатореВолков, Евгений Дмитриевич

Экспериментальное изучение диффузии и структурных свойств пылевой плазмы Шахова Ия Александровна

Физические свойства заряженной плазмы в скрещенных Е1И поляхКервалишвили, Николай Арсенович

Влияние экранирующих свойств разреженной плазмы на ее взаимодействие с частицей конденсированной фазыГусаров, Андрей Владимирович