CC BY
25Экспериментальное обнаружение проявлений перехода металл-диэлектрик при наносекунд ной лазерной абляции
Зубко А.Е.
ОФЭЛ, лаборатория пико-фемтосекундных лазеров Е-mail: aleksey. zubko11 @gmail. com Введение
Первая попытка исследования перехода металл-диэлектрик в условиях лазерной абляции была предпринята в работе А.М. Прохорова с сотрудниками [1], хотя сама проблема такого перехода в жидкой фазе была обозначена еще раньше [2]. Однако и в настоящее время этот вопрос требует дальнейшего изучения, как и вся околокритическая область состояний металлов в неравновесных условиях лазерного воздействия [3-5]. Такая точка зрения непосредственно вытекает из того факта, что критические параметры перехода жидкость-пар для большинства металлов остаются плохо определенными.
В настоящей работе представлены новые экспериментальные результаты исследования наносекундной лазерной абляции ртути с помощью акустической и оптической диагностик, которые могут быть обусловлены переходом металл-диэлектрик.
Экспериментальная часть
Используемые здесь лазерные установки для генерации 30 ns относительно гладкого лазерного импульса (X = 1.06 цт) и цуга из регулируемого числа отдельных пикосекундных (60 ps) импульсов, а также процедура акустической диагностики поведения генерируемого в мишени давления отдачи и смещения облучаемой поверхности описаны в [5, 6]. Зеркально отраженный лазерный импульс и свечение возникающей эрозионной плазмы регистрировалось с помощью фотодиода и соответствующих светофильтров. При использованных диаметрах области воздействия (1 и 0.5 тт) лазерные импульсы обеспечивали максимальную плотность облучения E в диапазоне 0.2-3 J/cm2 с гауссовым пространственным распределением. Калибровка пьезодатчика осуществлялась по методу сравнения термоакустического и
испарительного сигналов, одновременное наблюдение которых в случае ртути отмечено еще в [7].
В настоящем эксперименте ртуть с толщиной слоя 2.5 тт находилась в закрытой покровным стеклом кювете диаметром 18 тт и высотой 35 тт, стеклянное дно которой толщиной 4 тт располагалась на верхней поверхности датчика из ниобата лития диаметром 22 тт и толщиной 7 тт с коаксиальным съемом сигнала [5, 6], который подавался на нагрузку 50 О осциллографа LeCroy
Рис. 1. Акустический (1), лазерный (2) и отраженный (3) сигнал при разных Е = 0.33 (а), 0.43 (Ь), 0.66 (с), 0.81 1.15 (е), 2.55 J/cm2
Результаты и обсуждение
На рис. 1 показаны изменения акустического и отраженного лазерного сигналов на фоне исходного лазерного импульса. Рис. 1а,Ь демонстрирует заметный рост испарительного сигнала на фоне термоакустического при сравнительно небольшом изменении отраженного сигнала. Еще слабо различимый на рис. 1Ь излом на заднем фронте акустического сигнала уже явно заметен при дальнейшем росте Е, как и происходящее при этом уменьшение отражательной способности. На рис. Ы-Г проявляется еще два эффекта: смещение на более ранние времена переднего фронта акустического сигнала, который при этом претерпевает заметное уширение.
К отмеченным выше впервые наблюденным эффектам (появление горба на заднем фронте акустического импульса, его уширение и сдвиг на более ранние времена) следует добавить провал в поведении эффективного смещения облучаемой поверхности,
которое регистрируется по отличию (временному сдвигу) между модулированными частями лазерного и акустического импульсов. Появление этого провала не согласуется с механизмом испарительной абляции и может быть связано со значительным увеличением длины поглощения в жидком металле (от долей микрона до многих десятков микрон), что согласуется также с замедлением роста величины сдвига вперед на уровне т ~ 70 ns при дальнейшем росте E > 3 J/cm2. Сдвиг вперед на таком уровне означает уменьшение расстояния между областью проникновения излучения и датчиком на величину d = ст = 100 цт, где c = 1.4 km/s -скорость звука в ртути.
Заметим, что уменьшение времени прохождения акустического сигнала от области проникновения излучения до пьезодатчика не может быть объяснено его трансформацией в более быструю ударную волну на всем пути его следования. Это утверждение основывается на результатах акустической диагностики в случае нагружения облучаемой поверхности стеклянной пластиной толщиной 7 mm.
Благодарности
Автор выражает благодарность старшим товарищам из Теоретического отдела, отделов ФЭЛ, ВКИВ и Колебаний ИОФ РАН за постановку задачи и содействие проведению эксперимента.
1. Batanov V.A., Bunkin F.V., Prokhorov A.M. et al. JETP. 1973, 36, 311-322.
2. Ландау Л.Д., Зельдович Я.Б. Actaphys.-chim. USSR 1943, 18, 194.
3. Андреев С.Н., Мажукин В.И., Никифорова Н.М. и др. Квантовая электроника. 2003, 33, 771-776.
4. Быковский Н.Е., Першин С.М., Самохин А.А. и др. Квантовая электроника. 2016, 46, 128-132.
5. Самохин А.А., Шашков Е.В., Воробьев Н.С. и др. Письма в ЖЭТФ. 2018, 108, 388-192.
6. Samokhin A.A., Shashkov E.V., Vorob'ev N.S. et al. Physics of Wave Phenomena. 2019, 27, 42-50.
7. Веселовский И.А., Жиряков Б.М., Попов Н.И., Самохин А.А. Труды ИОФАН. 1988, 13, 108-120.
