shabalin-2013

ФОРМИРОВАНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛЕ В ПРОЦЕССЕ ПОГЛОЩЕНИЯ КОРОТКОГО
ИМПУЛЬСА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Е.И. Краус⁺⁺, В.Ф. Лосев⁺, Д.М. Лубенко⁺, П.А .Пальянов⁺, И.И. Шабалин⁺⁺
⁺Институт сильноточной электроники СО РАН, 634050, Томск, Россия
⁺⁺Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН,
630090, Новосибирск, Россия
Мощные лазеры с ультракоротким импульсом – это важнейший инструмент научных исследований
в механике деформируемого твердого тела. В результате воздействия излучения тонкий поверхностный
слой облученной мишени переходит в двухтемпературное состояние, когда электронная подсистема металла
сильно перегрета относительно кристаллической решетки. Продолжительность этого состояния ограничена
во времени и определяется временем двухтемпературной релаксации, которая продолжается от 2 до 20 пс в
зависимости от конкретного металла. В этих условиях температура в перегретом слое может достигать
тысяч градусов, а давления десятков GPa. Поэтому ультракороткие лазерные импульсы с успехом
используются как способ генерации мощных ударных волн в материале, что позволяет выполнить
верификацию уравнений термодинамического состояния вещества, а также, по измерениям профилей
давления внутри тела, судить о волновых процессах, связанных с определяющими соотношениями. По
скорости тыльной поверхности можно идентифицировать процессы разрушения.
Для описания процессов, вызванных поглощением лазерного излучения, применена
двухтемпературная модель [1-4]. Двух температурная модель определяет, каким образом энергия лазерного
импульса преобразуется в тепло решетки исследуемого металла. Вначале процесса поглощения
формируется существенная неравновесность температур, поэтому необходимо проверить как
малопараметрическое уравнение состояния [5], полученное из термодинамических соотношений, будет
работать с неравновесными температурами. Поскольку температурные члены входят в уравнение энергии
аддитивным образом, то температурная неравновесность не скажется на результатах расчета. Энергия
электронов
Ee  0.5 Ae  (Te2  Te20 ) , энергия
решетки
Ei  Ci  (Ti  Ti 0 ) ,
Ti 0  Te0  300 K .
Поскольку на первом этапе расчета не учитывается гидродинамическая составляющая, то плотность металла
не меняется, поэтому холодная энергия Ех также не изменяется и, следовательно, энергии, рассчитанные как
из двух температурной модели, так и уравнению Ми–Грюнайзена будут равны. Отсюда,
малопараметрическое уравнение состояния для твердой фазы работоспособно и при неравновесной
температуре электронов и решетки.
Параметры лазерного импульса: энергия до 110 мДж, τ = 15 нс,  = 532 нм.
Моделирование динамических процессов формирования и распространения ударной волны
выполнялось в соответствии с упруго-пластическим поведением металлов, а в качестве уравнения состояния
использовалось малопараметрическое уравнение состояния [5].
Получено качественное соответствие результатов моделирования и данных эксперимента.
Работа выполнена при финансовой поддержке СО РАН, междисциплинарный интеграционный проект №6.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Анисимов С.И., Капелович Б.Л., Перельман Т.Л. Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких
лазерных импульсов// ЖЭТФ 1974, Т. 66, с.776-781.
2.
Z. Lin, L. V. Zhigilei, and V. Celli Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon
nonequilibrium// Phys. Rev. 2008, B77, 075133.
3.
Qiu T.Q., Tien C.L. Femtosecond laser heating of multi-layer metals - I. Analysis//Int. J Heat and Mass Transfer, 1994, Vol.37, p. 2789-2797.
4.
Majchrzak E., Poteralska J. Numerical-analysis-of-short-pulse-laser-interactions-with-thin-metal-film// Archives of foundry eng., 2010, Vol.
10, p. 123-128.
5.
Краус Е.И. Малопараметрическое уравнение состояния твердого тела // Вестн. НГУ. Серия: Физика. 2007, Т. 2, вып. 2, с. 65-73.