КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 14-19-01599

НазваниеФемтосекундное лазерное плавление, кавитация и абляция в трехмерной геометрии

РуководительАнисимов Сергей Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-202 - Теплофизические свойства веществ и материалов, в том числе в экстремальных состояниях

Ключевые словалазерная абляция, тонкие пленки, LIFT, наноджеты, наночастицы, плазмоны

Код ГРНТИ29.19.16

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Лазерные технологии становятся все более совершенными с расширением доступных энергий фотонов и переходом на субмикронные масштабы воздействия на вещество. Соответственно расширяется спектр приложений в науке и появляется возможность развития субмикронных и нанометровых технологий в промышленности. В данной заявке на продление гранита РНФ будут выполнены новые исследования в самых современных областях науки и техники, связанных (a) с манипуляциями электромагнитным (ЭМ) излучением на нано- и микромасштабах, (b) с применением лазеров при изучении термодинамических, прочностных и транспортных характеристик веществ в состояниях с высокой плотностью и высокой температурой; динамические явления и неустойчивости при распространении ударных волн и выходе их на свободную поверхность, (c) с изучением воздействия излучения на слоистые мишени (например, на многослойные зеркала для рентгеновской оптики). (d) Будут изучены принципиально новые вопросы, относящиеся к применению сложного лазерного воздействия к комплексным мишеням. Речь идет об использовании высокоапертурных (high numerical aperture NA) объективов и фазовых пластинок для формирования заданного ЭМ поля на мишени. Кроме того, будут рассмотрены ЭМ поля, которые возникают при интерференции падающей ЭМ волны и плазмон-поляритонных (ППР) волн, возбуждаемых трехмерным нанообъектом. Причем для импульсов разной продолжительности во времени и с разной длиной волны. Эти импульсы будут действовать на комплексные мишени, под которыми понимаются слоистые или ограниченные пространственно мишени (например, капля на поверхности подложки или микро- наночастица в вакууме или окружающей прозрачной среде. Относительно пункта (d) добавим, что, как известно, вариация длительности лазерного (L) импульса качественно меняет физику взаимодействия: субпикосекундные импульсы – здесь необходимо учитывать возбуждение электронов, двухтемпературную стадию, генерацию высоких давлений, связанных с быстрым разогревом неподвижного вещества, тепловое расширение не поспевает за нагревом, возникают сильнейшие термомеханические эффекты, термомеханическая абляция; пикосекундные импульсы – высокие давления, термомеханические явления, двухтемпературность выражена слабо; субнаносекундные – наносекундные импульсы – сильный разогрев, динамика определяется испарением). Все это требуется описывать вместе с плавлением и рекристаллизацией разной степени неравновесности. Не менее существенно на физике взаимодействия сказывается вариация энергии фотона от ближней инфракрасной области (скажем, хром-фостеритовые лазеры, 1 эВ) до жесткого ультрафиолета (фотон 10-100 эВ) и затем до жесткого рентгена (фотон 10-20 кэВ, лазеры на свободных электронах). Выше перечислены основные трудные задачи с разной физикой взаимодействия. Они будут являться естественным продолжением, успешных, на наш взгляд, исследований, проведенных благодаря гранту РНФ номер 14-19-01599 (26 публикаций за 2.5 года, см. список к п. 1.3 ниже и итоговый отчет). В заявке на продление получат дальнейшее развитие плодотворные связи и совместные работы с экспериментальными группами, существенно стимулированные при выполнении гранта 14-19-01599. Сюда относятся (I) Разработка и совершенствование физической теории взаимодействия путем обработки результатов опытов, проводимых в ОИВТ РАН, в лаборатории сверхбыстрого лазерного воздействия на вещество под руководством М.Б. Аграната (это сотрудничество сложилось давно и в рамках гранта плодотворно продолжалось). Публикации [1,2] в списке к п. 1.2 и [22] в списке к п. 1.3. На новом этапе будут изучены особенности уравнений состояния и транспорта в состояниях с сильно нагретыми электронами и динамики ударных волн. Будет изучена проблема воздействия через жидкую прозрачную среду на поглощающую мишень. Смена газовой среды на жидкость сильно меняет морфологию пятна воздействия. (II) Kansai Photon Science Institute (KPSI), Department of Advanced Photon Research, X-ray Laser Group, Deputy Group Leader is Dr. Masahara Nishikino. Previous group leader was Prof. Tetsuya Kawachi. Наши совместные исследования в рамках гранта РНФ (14-19-01599) суть: [1,3-6] в списке к п. 1.2. В новой заявке будет выполнено принципиально важное исследование роли электронного давления на первых пикосекундах после воздействия фемтосекундного импульса. Будут проведены расчеты и подобраны параметры опытов. Затем эти опыты будут осуществлены (часть результатов уже имеется). Экспериментальные результаты будут сопоставлены с теорией. Нами будет создана схема расчетов рентгеновской оптики и построены «мгновенные» (разрешение по времени 7 пс) изображения очага лазерного воздействия в рентгеновских лучах с варьируемой задержкой построения изображения после фемтосекундного воздействия (под соответствующие опыты в KPSI). Это позволит проследить за развитием процессов, запущенных ультракоротким лазерным ударом. Будут решена задача о расшифровке результатов синхронизованного воздействия (техника pump-probe) субнаносекундного оптического лазерного импульса (pump) на изучаемую пленку с генерацией в ней ударной волны (УВ) с одной стороны и фемтосекундного жесткого (длина волны менее Ангстрема) рентгеновского импульса XFEL (probe) с другой стороны; X-ray Free Electron Laser (XFEL). Импульс XFEL требуется для построения мгновенной дифракционной картины упорядочивания атомов в пленке с распространяющейся по ней сильной УВ. (III) Благодаря РНФ 14-19-01599 была создана теория, объясняющая эксперименты, выполненные совместными усилиями наших коллег из Владивостока (Дальневосточный федеральный университет и ИАПУ ДВО РАН - Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук), московского ФИАНа и ИТМО (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики), см. [13] в списке литературы к п. 1.3 ниже. Облучение пленочных мишеней (пленка металла на диэлектрической или полупроводниковой подложке) осуществлялось остросфокусированным одиночным лазерным пучком в режиме одного выстрела. В результате образуются уединенные формирования сложной морфологии. Плазмонный резонанс этих формирований зависит от их размеров и топологии. Управляя с помощью оптики размерами и топологией можно регулировать резонансные характеристики, что существенно для приложений. Полученные результаты были изложены в работах [7-9] в списке к п. 1.2. В продолжение проекта будут решены интереснейшие задачи о воздействии через фокусирующую систему с высокой числовой апертурой и с использованием фазовых пластинок. Будут рассмотрены резко пространственно неоднородные ЭМ поля, являющиеся суммой падающей ЭМ волны и плазмон-поляритонных (ППР) волн. Будут выполнены расчеты соответствующих ЭМ полей. Будут рассмотрены ситуации с толстыми пленками, толщина которых превышает толщину нагретого слоя. В этом случае нельзя пользоваться удобной аппроксимацией с быстрым прогревом пленки по толщине, а затем начала гидродинамического движения, что намного упрощало решение трехмерной задачи. С помощью этой аппроксимации были выполнены расчеты тонких пленок [6-9], список к п. 1.2. Именно такого рода новые эксперименты с толстыми пленками и освещением или со стороны пленки, или со стороны подложки планируются и ведутся сейчас в группе ИАПУ, ДВФУ, ФИАН, ИТМО, причем первые полученные наблюдаемые нетривиальные явления не находят объяснений, что требует от нас построения новых теоретических моделей. Литература к п. 1.2 [1]. N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Yamagiwa, M. Ishino, M.B. Agranat, S.I. Ashitkov, A.Ya. Faenov, V.A. Khokhlov, D.K. Ilnitsky, Yu.V. Petrov, K.P. Migdal, T.A. Pikuz, S. Takayoshi, T. Eyama, N. Kakimoto, T. Tomita, M. Baba, Y. Minami, T. Suemoto, and T. Kawachi, Hydrodynamics driven by ultrashort laser pulse: simulations and the optical pump--X-ray probe experiment, Appl. Phys. B 119, 413-419 (2015). [2] S.I. Ashitkov, P.S. Komarov, V.V. Zhakhovsky, Yu.V. Petrov, V.A. Khokhlov, A.A. Yurkevich, D.K. Ilnitsky, N.A. Inogamov, and M.B. Agranat, Ablation of gold irradiated by femtosecond laser pulse: Experiment and modeling, J. Phys.: Conf. Ser. 774, 012097 (2016); 60 pages. doi:10.1088/1742-6596/774/1/012097 [3] M. Ishino, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Pikuz, I. Skobelev, A. Faenov, N. Inogamov, T. Kawachi, and M. Yamagiwa, Very low electron temperature in warm dense matter formed by focused picosecond soft x-ray laser pulses, J. Appl. Phys. 116, 183302 (2014). doi: 10.1063/1.4901943 [4] M. Ishino, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Pikuz, I. Skobelev, A. Faenov, N. Inogamov, T. Kawachi, M. Yamagiwa, Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft x-ray laser pulses, Proc. SPIE 9589, X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications XI, 958904 (September 22, 2015); doi:10.1117/12.2186053 [5] T.A. Pikuz, A.Ya. Faenov, N. Ozaki, N.J. Hartley, B. Albertazzi, T. Matsuoka, K. Takahashi, H. Habara, Y. Tange, S. Matsuyama, K. Yamauchi, R. Ochante, K. Sueda, O. Sakata, T. Sekine, T. Sato, Y. Umeda, Y. Inubushi, T. Yabuuchi, T. Togashi, T. Katayama, M. Yabashi, M. Harmand, G. Morard, M. Koenig, V. Zhakhovsky, N. Inogamov, A. S. Safronova, A. Stafford, I. Yu. Skobelev, S.A. Pikuz, T. Okuchi, Y. Seto, K.A. Tanaka, T. Ishikawa, and R. Kodama, Indirect monitoring shot-to-shot shock waves strength reproducibility during pump–probe experiments, J. Appl. Phys. 120, 035901 (2016). doi: 10.1063/1.4958796 [6] N.A. Inogamov, V.A. Khokhov, Y.V. Petrov, V.V. Zhakhovsky, K.P. Migdal, D.K. Ilnitsky, N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Yamagiwa, M. Ishino, T. Kawachi, A.Y. Faenov, T.A. Pikuz, M. Baba, Y. Minami, and T. Suemoto, Rarefaction after fast laser heating of a thin metal film on a glass mount, AIP Conf. Proc. (accepted). 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15) [7] П.А. Данилов, Д.А. Заярный, А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, А.А. Руденко, А.А. Кучмижак, О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин, В.В. Жаховский, Н.А. Иногамов, Перераспределение материала при фемтосекундной лазерной абляции тонкой серебряной пленки, Письма в ЖЭТФ 104(11), 780-786 (2016). [8] N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, V.A. Khokhlov, A.A. Kuchmizhak, S.I. Kudryashov, Blistering of film from substrate after action of ultrashort laser pulse, J. Phys.: Conf. Ser., 774, 012102 (2016); doi:10.1088/1742-6596/774/1/012102 [9] A. Kuchmizhak, O. Vitrik, Yu. Kulchin, D. Storozhenko, A. Mayor, A. Mirochnik, S. Makarov, V. Milichko, S. Kudryashov, V. Zhakhovsky, and N. Inogamov, Laser printing of resonant plasmonic nanovoids, Nanoscale 8, 12352-12361 (2016). DOI: 10.1039/C6NR01317A

Ожидаемые результаты
Актуальность лазерных технологий очевидна, поскольку имеется широкий набор приложений в науке и промышленности от роботизированной лазерной резки и сварки в машиностроении до получения нанодисперсных сред (коллоиды) и поверхностей (наноструктуры) и до плазмоники (например, формирование и работа плазмонных нано-антенн). Постепенно современная индустрия перестраивается с преимущественно механических средств обработки на комбинированные средства с использованием лазерных устройств. Разумеется, успешность применений связана с пониманием фундаментальных физических явлений, важных нерешенных проблем здесь много. Именно на это будет направлена предстоящая исследовательская деятельность. В результате детальных теоретических и численных исследований, проводимых с целью объяснения экспериментальных результатов, а также для планирования будущих экспериментов в сотрудничающих с нами лабораториях, будет дан ответ на ряд следующих важных вопросов. [A] Будет решена задача о движении вещества и формировании финальной структуры в результате облучения пленок разной толщины на подложке или многослойных мишеней при разных режимах облучения. Во-первых, наверно, самое современное приложение связано с применением оптики с высокой числовой апертурой NA > 0.5 и, соответственно, с ультрамалым пятном облучения (радиус 200-400 нм) и сложным распределением ЭМ излучения по пятну (интенсивность, угол падения и поляризация). Во-вторых, в другом актуальном приложении применяют фазовую пластинку для формирования вихревого оптического пучка. Таким образом, например, может быть достигнута радиальная (в плоскости мишени) поляризация падающего на плоскость мишень излучения. При такого рода поляризации образуется темное пятно в центре с большим контрастом освещенности по отношению кольцо-центр. Результаты воздействия вихревым пучком должны резко отличаться от того, что получается при действии пучком с гауссовым распределением интенсивности с выраженным максимумом интенсивности в центре. В результате появляется возможность создание уединенных структур весьма необычной морфологии. Это новая проблема, для изучения которой необходимо разработать теоретическую модель и метод численного моделирования. Решение этой проблемы имеет существенное значение для плазмонных нанотехнологий. В-третьих, будет рассмотрено влияние на формирующиеся структуры взаимодействия внешней ЭМ волны и плазмон-поляритонных (ППР) мод, связанных с наноантенной, установленной на плоской подложке. Как говорилось в аннотации п. 1.2 выше, толщина пленки имеет значение для развития оптико-индуцированных процессов. Соответственно имеются два класса задач. В первом из них толщина пленки d_f меньше толщины слоя прогрева d_T, во втором – больше. Поясним смысл значения d_T. Ультракороткий импульс за время порядка единиц пикосекунд создает приповерхностный слой прогрева d_T , в котором резко повышается давление, поскольку продолжительность времени, за которое создается слой d_T, меньше звукового масштаба времени t_s = d_T /c_s, за которое звук пробегает слой прогрева. Толщина d_T зависит от материала. В золоте она достаточно велика 100-200 нм, а в никеле меньше, порядка 70 нм. Если d_f < d_T , то задача об отслоении пленки, которая слабо закреплена на подложке, решается относительно легко. В результате двухтемпературного гидродинамического моделирования определяется зависимость скорости пленки после отделения от подложки от локальной величины поглощенного флюенса (см. статьи [1,4] в списке публикаций к данному пункту заявки). Эта зависимость далее используется при молекулярно-динамическом моделировании. При этом под скоростью пленки понимается скорость центра масс пленки в точке на поверхности пленки – т.е. локальное значение скорости центра масс V_cm (r), где r – расстояние до оси лазерного пучка в плоскости пленки. Относительное движение вещества пленки в локальной системе координат, связанной с локальным центром масс, не имеет значения, поскольку амплитуды относительных скоростей невелики и затухают на больших масштабах времени, за которое образуется и затвердевает купол в задачах с фокусировкой на дифракционном пределе (малые фокальные пятна). Благодаря малому разбросу скоростей локальное значение скорости центра масс берется за локальное значение скорости пленки. В случае толстых пленок d_f > d_T хорошо определенной локальной скорости пленки нет. Соответственно очень сложными становятся и двухтемпературное гидромеханическое моделирование и молекулярная динамика. Из первых экспериментов, проведенных по этому поводу, известно, что относительно простого купола на толстых пленках нет. Вместо него образуются сложнейшие структуры с куполом и кольцами вокруг или без купола и оболочками в несколько слоев. Без детального анализа ситуации разобраться здесь не удастся. Работа в данном направлении запланирована в настоящей заявке. Проблема будет решаться с учетом многообразия параметров воздействия и структур мишеней: (1) Толщина пленки, двух- и многослойные пленки на подложках и без; (2) Радиус пятна воздействия, влияние аспектного отношения радиус – толщина; (3) Разница между режимами с освещением поверхности пленки (фронтальная граница, фронтальное освещение) и с воздействием через прозрачную подложку на тыльную границу пленки (тыльное освещение). В случае тонкой пленки d_f < d_T разница между фронтальным и тыльным режимами мала. В случае толстой пленки эта разница велика и имеет принципиальное значение. (4) Исключительно важным является аспект, который будет изучен, связанный с длительностью импульса. Случай наносекундного воздействия качественно по самой физике процессов отличается от фемтосекундного воздействия. Огромную роль начинают играть процессы сильного нагрева, испарения, неравновесности испарения (толстый кнудсеновский слой), тепловых и динамических эффектов, связанных с паровой фазой. При фемтосекундном воздействии с нагревами до таких значительных температур в пленке остается дырка (вся пленка улетает) внутри пятна фокусировки. Более подробно перечисленные вопросы 1-4 изложены ниже в форме 4. [B] Много внимания в проекте будет уделено работе рентгеновских лазеров, важность которых связана с абляцией и литографией предельно высокого пространственного разрешения. Это весьма актуальная и современная тематика. Имеется ряд вариантов рентгеновских лазеров от небольших « настольных» размеров до гигантских машин – лазеров на свободных электронах (X-ray Free Electron Laser: XFEL) – таких как LCLS (SLAC Linac Coherent Light Source, Стенфорд, США) и SAKLA (RIKEN\HARIMA\SPring8, префектура Хиого, Япония). Они перенастраиваются на разные длины волн и имеют разные продолжительности импульса. Сегодня в сторону высоких энергий фотона доходят до длин волн менее одного Ангстрема. В коллектив по проекту входит Анатолий Фаенов из университета Осаки (Институт академических инициатов) и ИВТАНа, работающие вместе с нами и японскими коллегами из KPSI (см. п. 1.2) по экспериментам на рентгеновских лазерах. Ультракороткий (несколько фемтосекунд) жесткий (10-20 кэВ) лазерный импульс XFEL может применяться в качестве диагностического импульса, который дает практически мгновенную дифракционную картину порядка атомов в кристалле, по которому распространяется сильная (0.1-10 Мбар) ударная волна. В предстоящей работе будут выяснены вопросы распространения сложных ударных волн (УВ) и их отражения от свободной поверхности. Сложными здесь названы волны с двумя (упруго-пластическая УВ) или более (связанными с полиморфными превращениями) скачками плотности. Ранее в работах по нашему РНФ проекту 14-19-01599 изучались такие комплексные квазистационарные УВ [22,23]. Теперь исследования будут проведены с учетом условий генерации УВ, конечной толщины пленки, по которой распространяется УВ (порядка единиц микрон) и отражения от тыльной стороны пленки (граница с вакуумом). Будет построена мгновенная дифракционная картина и спектр рентгеновской линии, отраженной от тыльной стороны пленки. Это позволит воссоздать картину эволюции УВ по экспериментальным дифракционным данным. Инициатором УВ в пленке является субнаносекундный оптический лазерный импульс [5], который создает горячую плазменную корону с фронтальной (облучаемой) стороны пленки [5]. Оптический импульс синхронизован с диагностическим рентгеновским импульсом XFEL. Другой существенной проблемой является деградация многослойных зеркал из-за рентгеновского излучения. В связи с этим будут изучены абляционные явления, вызванные рентгеновским воздействием. Будет решена серьезная задача о распределении ЭМ поля в слоях. Полученные данные будут использованы при гидродинамическом моделировании теплового поля и динамики деформационного расширения приповерхностных слоев покрытия зеркала. Литографию будущего (уже имеются промышленные прототипы, SEMATEX, см. [[1,2]]) для микро- и наноэлектроники связывают с плазмой олова, излучающей на длине волны 13.5 нм (Extreme ultraviolet lithography, EUV lithography) с энергией фотона примерно 90 эВ. Этот диапазон относят как к жесткому ультрафиолету, так и к мягкому рентгену. Лазер на плазменной колонке из высокозарядных (неоноподобный Ag^19+) ионов серебра стабильно работает в группе наших коллег из KPSI (см. п. 1.2). Этот лазер имеет длину волны 13.9 нм, близкую к длине волны «оловянной лампочки». Поэтому большой интерес представляют абляционные явления, вызванные плазменным лазером. С другой стороны важно исследовать быстропротекающие процессы посредством «мгновенных» изображений стадий процесса в лучах плазменного лазера 13.9 нм. Такие работы будут выполнены в рамках продолжения проекта РНФ. Будут изучены вопросы перемещения и разделения веществ при воздействии остросфокусированного импульса жесткого (10-20 кэВ) рентгена на 2-х и более слойные покрытия из чередующихся разных веществ. Это позволит создавать уединенные наноструктуры с требуемым составом веществ. Данная задача сложна. Для ее решения будут созданы и откалиброваны соответствующие физические модели и соответственно расширен пакет наших компьютерных программ. По опыту работы по исследованию динамики однослойной пленки [13] нам известно, что лазерный удар вызывает сильное перераспределение вещества по пленке. Работа [13] была выполнена благодаря проекту РНФ 14-19-01599. Там рассматривался оптический лазер и однослойное покрытие. [C] Будут исследованы вопросы влияния электронного давления на динамические процессы в поверхностном слое облученной мишени. Ситуация, когда электронное давление доминирует, представляется достаточно нестандартной. Обычно при температурах в несколько тысяч градусов электронной энергией и давлением можно пренебречь, поскольку электронная подсистема вырождена и ее теплоемкость невелика. Но в наших режимах с двухтемпературными состояниями, когда температура электронов доходит до нескольких эВ, электронное давление велико (до мегабара) и доминирует. Это продолжается до окончания двухтемпературной стадии, в конце которой происходит выравнивание температур электронов и ионов. Особенно существенны эти эффекты при фемтосекундном облучении золота, в котором из-за большого отношения масс между электроном и ионом двухтемпературная релаксация продолжается достаточно долго. Для решения такой проблемы требуется уравнение состояния, учитывающее двухтемпературность. Оно было разработано благодаря проекту РНФ 14-19-01599, см. статью [9]. На следующем этапе будет выполнено численное моделирование динамических явлений с этим уравнением состояния. Главная цель состоит в сравнении с данными экспериментов, выполненными в KPSI (см. п. 1.2) на пленках золота. При этом слежение за развертыванием событий во времени осуществлялось с помощью лазера на мягком рентгене 13.9 нм, который имеется в KPSI. Для этой задачи будет создана и на ней отработана численная модель рентгеновской оптики, которая применяется для построения «мгновенных» изображений развития процесса абляции, см. также п. [B]. Код для расчета рентгеновской оптики кроме учета работы собственно оптики (многослойные зеркала и двойного зеркала: double Lloyd’s mirror) будет включать расчеты преломления и отражения диагностического импульса от мишени, находящейся в движении после воздействия ультракороткого оптического лазерного импульса; схему установки см. в [27]. Диагностический пучок 13.9 нм падает под углом к поверхности мишени. Мишень в результате оптического воздействия расщепляется на подвижный (будем называть его также откольным слоем) слой, пену, заполняющую промежуток между подвижным слоем и остатком мишени, и остаток мишени. Будет решена задача о прохождении наклонной ЭМ волны через эту систему. В результате будет вычислена сумма отраженных ЭМ волн. Отраженные волны доводятся до ПЗС-камеры через многослойные зеркала или через многослойные зеркала плюс двойное зеркало. Гидродинамическая модель и рентгеновский оптический код позволят полностью описать явления, которые имеют место в наших экспериментах [27]. [D] В проекте будет изучено воздействие лазерного излучение на малые частицы в широком диапазоне их размеров от единиц нанометров до десятков микрон. Это важно в двух отношениях. Во-первых, в отношении влияния на функцию распределения наночастиц субволновых размеров (1-100 нм) сравнительно с длиной волны оптического излучения. Это существенно для задач управления характеристиками коллоидов. Коллоиды наночастиц получают как химическими методами, так путем облучения мишеней из конденсированного вещества лазером при погружении мишени в жидкую среду. В проекте будет исследована смежная задача о генерации наночастиц лазером от твердых мишеней в жидкой среде. Оптическая часть задачи о дифракционных искажениях лазерной ЭМ волны, освещающей наночастицу, описана в литературе подробно. Коллектив авторов заявки включает специалиста по ЭМ части проблемы. С другой стороны то, как реагирует частица на облучение, известно лишь на уровне грубых феноменологических моделей. Такой подход не позволяет ответить на главные вопросы, связанные с физикой этого взаимодействия. При этом подход, где реакция вещества на внешнее воздействие описывается из первых принципов, существует – это молекулярная динамика (МД). Высокопроизводительным параллельным МД кодом, имеющимися в нашем коллективе, можно детально описать происходящее в наночастице вплоть до радиусов частицы порядка 100 нм (до 200 миллионов атомов), используя 1024 вычислительных ядра. Объединение теории дифракции с гидродинамическим и МД моделированием позволит получить сквозное описание процессов от лазерного импульса до тепловых и механических последствий в виде плавления и рекристаллизации, осцилляций и распада частицы. Во-вторых, огромное прикладное значение имеет задача о дроблении жидких капель оптическим лазерным импульсом [[1,2]]. Речь идет о литографических машинах для наноэлектроники (Extreme ultraviolet lithography). Сердце машины – источник жесткого ультрафиолета (УФ), излучаемого плазмой олова. Для создания такой плазмы имеется дозатор, подающий каплю жидкого олова в источник. Размеры капель, вылетающих из дозатора, составляют десятки микрон. Для эффективности процесса плазмообразования такую крупную каплю необходимо раздробить на чрезвычайно мелкодисперсную фракцию. Дробление осуществляется импульсом оптического лазера. Из опытов ясно [[1,2]], что воздействие приводит к распылению капли, см., например, [[2]]. Однако как это происходит, физические процессы имеющие место неизвестны. В нашей работе данная проблема будет решена с помощью описания ЭМ поля, действующего на каплю, процессов поглощения излучения и порожденных воздействием тепловых и динамических процессов. Для описания будут намного расширены наши гидродинамические, МД и SPH (smooth particles hydrodynamics) коды. Бессеточный гидродинамический SPH код будет использоваться на пространственных масштабах, недоступных для описания в рамках МД. [E] Разработка новых алгоритмов и кодов является важнейшей частью проекта. На базе параллельного алгоритма динамической декомпозиции моделируемого вещества по ячейкам Вороного, используемого в нашем МД коде, будет создана многопроцессорная версия SPH кода. Эта версия специально будет приспособлена для описания работы источника жесткого УФ. Распараллеливание на сотни и более процессоров позволит поднять число лагранжевых частиц в расчете методом SPH до многих десятков миллионов (против обычных 10-100 тысяч). Это позволит решать трехмерные задачи воздействия облучения на капли и пылинки. Таким образом, мы поднимем на совершенно новый уровень точность пространственного разрешения при моделировании. В результате будет получена количественно верная 3D картина сложных течений материала под действием ударных волн и волн разрежения с формированием струй и при наличии фрагментации мишеней. Будет проведено сопоставление МД и SPH кодов на задачах с дроблением мелких капель. Такое сопоставление уже проводилось нами на другой задаче [3]. А именно, рассматривалось дробление конденсированной фазы при выходе сильной ударной волны на границу первоначально твердого образца с вакуумом при наличии пространственных возмущений на границе [3]. [F] Другое направление состоит в разработке моделей вещества. А именно, в разработке и модификации потенциалов межатомного взаимодействия для расчетов методом МД. Для задачи об абляции в жидкой среде (например, золото - вода) будут созданы потенциал воды и перекрестный потенциал, описывающий взаимодействие атомов золота и молекул воды вблизи границы контакта. Будут созданы межатомные потенциалы олова и золота с искусственно пониженным коэффициентом поверхностного натяжения. При этом все остальные параметры соответствуют табличным данным. Данные потенциалы требуются для масштабирования задачи по капиллярному числу (скейлинг). Масштабирование необходимо, чтобы обойти ограничения на число атомов и длительность расчета (число шагов по времени). Ограничения связаны с пределами на доступные численные ресурсы, см. следующий пункт. [G] Будут усовершенствованы приемы масштабных преобразований, которые позволяют с помощью приемлемой по размерам и числу атомов МД системы моделировать тепловые процессы с фазовыми превращениями и динамику гораздо большей по числу атомов реальной системы. В рамках гранта РНФ 14-19-01599 таким способом удалось описать непонятые ранее процессы формирования уединенных структур размерами порядка сотен миллиардов атомов в эксперименте [13]. Прямые МД расчеты такого колоссального масштаба на несколько порядков превышают имеющиеся на сегодня возможности самых производительных многопроцессорных машин в мире. В работах [15-18] по гранту РНФ 14-19-01599 для масштабирования (скалирования) использовалась вариация теплопроводности в коде Монте-Карло, описывающем транспорт тепла. Теперь к этому добавится вариация коэффициента поверхностного натяжения (см. п. [F]). Отметим, что с помощью нашего гранта РНФ был создан уникальный комбинированный код молекулярной динамики (МД) для атомов, совмещенный с Монте-Карло (МК) для электронов с целью описания высокой теплопроводности металлов. Это позволило аккуратно учитывать процессы плавления, рекристаллизации и интенсивных гидродинамических перемещений при воздействии на пленки остросфокусированного лазерного импульса. Список работ, выполненных благодаря гранту РНФ номер 14-19-01599 1. Иногамов Н. А., Жаховский, В. В. Формирование наноразмерных струек и капель ультракоротким лазерным импульсом при фокусировке на дифракционном пределе, Письма ЖЭТФ, 2014, 100, 6-12 ________________________________________ 2. Ishino, M.; Hasegawa, N.; Nishikino, M.; Pikuz, T.; Skobelev, I.; Faenov, A.; Inogamov, N.; Kawachi, T. & Yamagiwa, M. Very low electron temperature in warm dense matter formed by focused picosecond soft x-ray laser pulses, J. Appl. Phys., 2014, 116, 183302,1-6 ________________________________________ 3. Dyachkov, S. A.; Parshikov, A. N. & Zhakhovsky, V. V. Shock-produced ejecta from Tin: comparative study by molecular dynamics and smoothed particle hydrodynamics methods, Journal of Physics: Conference Series, 2015, 653, 012003 ________________________________________ 4. Иногамов, Н. А.; Жаховский, В. В. & Хохлов, В. А. Струеобразование при отрыве металлической пленки от подложки в результате воздействия фемтосекундного лазерного импульса, ЖЭТФ, 2015, 147, 20-56 ________________________________________ 5. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. .V.; Hasegawa, N.; Nishikino, M.; Yamagiwa, M.; Ishino, M.; Agranat, M. B.; Ashitkov, S. I.; Faenov, A. Y.; Khokhlov, V. A.; Ilnitsky, D. K.; Pikuz, T. A.; Takayoshi, S.; Tomita, T. & Kawachi, T. Hydrodynamics driven by ultrashort laser pulse: simulations and the optical pump - X-ray probe experiment, Appl. Phys. B, 2015, 119, 413-419 ________________________________________ 6. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. V. & Khokhlov, V. A. Three Dimensional Ablation Flow Produced by Ultrashort Laser Pulse from Perfectly Flat Target, Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Prague, Czech Republic, July 6–9, 2015, PIERS Proceedings, 2015, 2413-2417 ________________________________________ 7. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. V.; Khokhlov, V. A.; Petrov, Y. V.; Migdal, K. P. & Anisimov, S. I. Eds.: Fortov, V. E.; Iosilevskiy, I. L. & Levashov, P. R. RAPID NON-EQUILIBRIUM CRYSTALLIZATION OF FLYING MOLTEN THIN SHELL CREATED BY FEMTOSECOND LASER ACTION Scientific-Coordination Workshop on Non-Ideal Plasma Physics, November 27-28, 2015, Moscow, Russia, Book of Abstracts, 2015, 68-69 ________________________________________ 8. Ishino, M.; Hasegawa, N.; Nishikino, M.; Pikuz, T.; Skobelev, I.; Faenov, A.; Inogamov, N.; Kawachi, T. & Yamagiwa, M. Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft x-ray laser pulses, X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications XI, SPIE Proceedings, 2015, 9598 ________________________________________ 9. Petrov, Y. V.; Migdal, K. P.; Inogamov, N. A. & Zhakhovsky, V. V. Two-temperature equation of state for aluminum and gold with electrons excited by an ultrashort laser pulse, Appl. Phys. B, 2015, 119, 401-411 ________________________________________ 10. Rosandi, Y.; Kabeer, F. C.; Cherednikov, Y.; Zijlstra, E. S.; Garcia, M. E.; Inogamov, N. A. & Urbassek, H. M. Melting of Al Induced by Laser Excitation of 2p Holes, Materials Research Letters, 2015, 3, 149-155 ________________________________________ 11. V. A. Khokhlov, N. A. Inogamov, V. V. Zhakhovsky, D. K. Ilnitsky, K. P. Migdal and V.V. Shepelev, Film-substrate hydrodynamic interaction initiated by femtosecond laser irradiation. Shock Compression of Condensed Matter (the Proceedings of the 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter) (2015 г.) AIP Conf. proc., (accepted, in press, to be published in 2016: http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp “Forthcoming titles: 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15)”) ________________________________________ 12. Ashitkov, S. I.; Komarov, P. S.; Zhakhovsky, V. V.; Petrov, Y. V.; Khokhlov, V. A.; Yurkevich, A. A.; Ilnitsky, D. K.; Inogamov, N. A. & Agranat, M. B. Ablation of gold irradiated by femtosecond laser pulse: experiment and modeling, J. Phys.: Conf. Ser., 2016, 774, 012097 ________________________________________ 13. Данилов, П. А.; Заярный, Д. А.; Ионин, А. А. Кудряшов, С. И.; Руденко, А. А.; Кучмижак, А. А.; Витрик, О. Б.; Кульчин, Ю. Н.; Жаховский, В. В. & Иногамов, Н. А. Перераспределение материала при фемтосекундной лазерной абляции тонкой серебряной пленки, Письма в ЖЭТФ, 2016, 104, 780-786 ________________________________________ 14. Ilnitskiy, D. K.; Khokhlov, V. A.; Zhakhovsky, V. V.; Petrov, Y. V.; Migdal, K. P. & Inogamov, N. A. Dynamics of laser ablation at the early stage during and after ultrashort pulse, J. Phys: Conf. Ser., 2016, 774, 012101 ________________________________________ 15. Inogamov, N. A. & Zhakhovsky, V. V. Surface 3D nanostructuring by tightly focused laser pulse: simulations by Lagrangian code and molecular dynamics, J. Phys.: Conf. Seri., 2016, 681, 012001[1-15] ________________________________________ 16. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. V. & Migdal, K. P. Laser-induced spalling of thin metal film from silica substrate followed by inflation of microbump, Appl. Phys. A, 2016, 122, 432[1-9] ________________________________________ 17. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. V.; Khokhlov, V. A.; Kuchmizhak, A. A. & Kudryashov, S. I. Blistering of film from substrate after action of ultrashort laser pulse, J. Phys.: Conf. Ser., 2016, 774, 012102 ________________________________________ 18. Inogamov, N. A.; Zhakhovsky, V. V.; Khokhlov, V. A.; Petrov, Y. V. & Migdal, K. P. Solitary Nanostructures Produced by Ultrashort Laser Pulse, Nanoscale Research Letters, 2016, 11, 177[1-13] ________________________________________ 19. Kuchmizhak, A.; Vitrik, O.; Kulchin, Y.; Storozhenko, D.; Mayor, A.; Mirochnik, A.; Makarov, S.; Milichko, V.; Kudryashov, S.; Zhakhovsky, V. & Inogamov, N. Laser printing of resonant plasmonic nanovoids, Nanoscale, 2016, 8, 12352-12361 ________________________________________ 20. Migdal, K. P.; Petrov, Y. V.; Il‘nitsky, D. K.; Zhakhovsky, V. V.; Inogamov, N. A.; Khishchenko, K. V.; Knyazev, D. V. & Levashov, P. R. Heat conductivity of copper in two-temperature state Appl. Phys. A, 2016, 122, 408[1-5] ________________________________________ 21. Pikuz, T. A.; Faenov, A. Y.; Ozaki, N.; Hartley, N. J.; Albertazzi, B.; Matsuoka, T.; Takahashi, K.; Habara, H.; Tange, Y.; Matsuyama, S.; Yamauchi, K.; Ochante, R.; Sueda, K.; Sakata, O.; Sekine, T.; Sato, T.; Umeda, Y. I.; Yabuuchi, T.; Togashi, T.; Katayama, T.; Yabashi, M.; Harmand, M.; Morard, G.; Koenig, M.; Zhakhovsky, V.; Inogamov, N.; Safronova, A. S.; Stafford, A.; Skobelev, I. Y.; Pikuz, S. A.; Okuchi, T.; Seto, Y.; Tanaka, K. A.; Ishikawa, T. & Kodama, R. Indirect monitoring shot-to-shot shock waves strength reproducibility during pump–probe experiments, J. Appl. Phys., 2016, 120, 035901[1-8] ________________________________________ 22. Ashitkov, S. I.; Zhakhovsky, V. V.; Inogamov, N. A.; Komarov, P. S.; Agranat, M. B. & Kanel., G. I. The behavior of iron under ultrafast shock loading driven by a femtosecond laser, AIP Conf. proc.,(accepted, in press, to be published in 2016: http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp “Forthcoming titles: 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15)”) ________________________________________ 23. Zhakhovsky, V. V.; Migdal, K. P.; Inogamov, N. A. & Anisimov, S. I. MD simulation of steady shock-wave fronts with phase transition in single-crystal iron, AIP Conf. proc., (accepted, in press, to be published in 2016: http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp “Forthcoming titles: 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15)”) ________________________________________ 24. Inogamov, N. A. & Zhakhovsky, V. V. SIMULATIONS OF SHORT PULSE LASER-MATTER INTERACTION, Lobachevskii Journal of Mathematics, 2017 ________________________________________ 25. Inogamov, N. A., Khokhov, V. A., Petrov, Y. V., Zhakhovsky, V. V., Migdal, K. P., Ilnitsky, D. K., Hasegawa, N., Nishikino, M., Yamagiwa, M., Ishino, M., Kawachi, T., Faenov, A. Y., Pikuz, T., Baba, M., Minami, Y., & Suemoto., T., Rarefaction after fast laser heating of a thin metal film on a glass mount, AIP Conf. proc., (accepted, in press, to be published in 2016: http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp “Forthcoming titles: 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15)”) ________________________________________ 26. Dyachkov, S., Parshikov, A., and Zhakhovsky, V., Ejecta From Shocked Metals: Comparative Simulations Using Molecular Dynamics and Smoothed Particle Hydrodynamics, AIP Conf. proc., (accepted, in press, to be published in 2016: http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp “Forthcoming titles: 19th Biennial APS Conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM15)”) Дополнительная литература (наши публикации) 27. N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Ishino, N. Ohnishi, A. M. Ito, Y. Minami, M. Baba, A. Y. Faenov, N. Inogamov, T. Kawachi, K. Kondo, and T. Suemoto, The observation of transient thin film structures during the femto-second laser ablation process by using the soft X-ray laser probe, Conference: X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications Symposium: SPIE Optics + Optoelectronics (to be published) Внешняя дополнительная литература [[1]] V. Y. Banine, K. N. Koshelev, and G. H. P. M. Swinkels, Physical processes in EUV sources for microlithography," J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 253001 (2011). [[2]] Dmitry Kurilovich, Alexander L. Klein, Francesco Torretti, Adam Lassise, Ronnie Hoekstra, Wim Ubachs, Hanneke Gelderblom, and Oscar O. Versolato, Plasma Propulsion of a Metallic Micro-droplet and its Deformation upon Laser Impact, arXiv:1604.00214v1 [physics.plasm-ph] 1 Apr 2016 [[3]] Ch. Wu and L.V. Zhigilei, Nanocrystalline and Polyicosahedral Structure of a Nanospike Generated on Metal Surface Irradiated by a Single Femtosecond Laser Pulse, J. Phys. Chem. C 120, 4438-4447 (2016). [[4]] Kanel, G. I. and Razorenov, S. V. and Fortov, V. E., Shock-Wave Phenomena and the Properties of Condensed Matter, Springer, 2004. G. I. Kanel’, and V. E. Fortov, and S. V. Razorenov, Shock waves in condensed-state physics, Phys. Usp. 50, 771 (2007). [[5]] M. B. Agranat, S.I. Anisimov, S.I. Ashitkov, V.V. Zhakhovskii, N.A. Inogamov, P.S. Komarov, A.V. Ovchinnikov, V.E. Fortov, V.A. Khokhlov, V.V. Shepelev, Strength properties of an aluminum melt at extremely high tension rates under the action of femtosecond laser pulses, JETP Lett. 91(9), 471-477 (2010). S. I. Ashitkov, M. B. Agranat, G. I. Kanel’, P. S. Komarov, and V. E. Fortov, Behavior of Aluminum near an Ultimate Theoretical Strength in Experiments with Femtosecond Laser Pulses, JETP Lett. 92(8), 516-520 (2010). [[6]] A. Y. Vorobyev and Chunlei Guo, Enhanced absorptance of gold following multipulse femtosecond laser ablation, Phys. Rev. B 72, 195422 (2005). A. Y. Vorobyev and Chunlei Guo, Direct observation of enhanced residual thermal energy coupling to solids in femtosecond laser ablation, Appl. Phys. Lett. 86, 011916 (2005). A.Y. Vorobyev and Chunlei Guo, Femtosecond laser nanostructuring of metals, Optics Express 14(6), 2164-2169 (2006). [[7]] V.V. Zhakhovskii, N.A. Inogamov, K. Nishihara, New mechanism of the formation of the nanorelief on a surface irradiated by a femtosecond laser pulse, JETP Lett. 87(8), 423-427 (2008). V. Zhakhovskii, N. Inogamov, K. Nishihara, Laser ablation and spallation of crystalline aluminum simulated by Molecular Dynamics, J. Phys.: Conf. Ser. 112, 042080 (2008). [[8]] S.I. Ashitkov, N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, Yu.N. Emirov, M.B. Agranat, I.I. Oleinik, S.I. Anisimov, and V.E. Fortov, Formation of Nanocavities in Surface Layer of Aluminum Target irradiated by Femtosecond Laser Pulse, JETP Lett. 95(4), 176-181 (2012). [[9]] N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, V.A. Khokhlov, S.I. Ashitkov, Yu.N. Emirov, K.V. Khichshenko, A.Ya. Faenov, T.A. Pikuz, M. Ishino, M. Kando, N. Hasegawa, M. Nishikino, P.S. Komarov, B.J. Demaske, M.B. Agranat, S.I. Anisimov, T. Kawachi, I.I. Oleynik, Ultrafast lasers and solids in highly excited states: results of hydrodynamics and molecular dynamics simulations, J. Phys.: Conf. Ser. 510, 012041 (2014). N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, S.I. Ashitkov, Yu.N. Emirov, A.Ya. Faenov, T.A. Pikuz, M. Ishino, M. Kando, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Kawachi, M.B. Agranat, A.V. Andriash, S.E. Kuratov, and I.I. Oleynik, Surface nano-structuring produced by spallation of metal irradiated by an ultrashort laser pulse, J. Phys.: Conf. Ser. 500, 112070 (2014). [[10]] C. Wu, M.S. Christensen, J.-M. Savolainen, P. Balling, and L.V. Zhigilei, Generation of subsurface voids and a nanocrystalline surface layer in femtosecond laser irradiation of a single-crystal Ag target, Phys. Rev. B 91, 035413 (2015). [[11]] P.N. Mayer and A.E. Mayer, Late stages of high rate tension of aluminum melt: Molecular dynamic simulation, J. Appl. Phys. 120, 075901 (2016).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---