Пикосекундная динамика и морфология тыльного откола нанослоя в пленке ванадия при ударно-волновом нагружении субпикосекундными лазерными импульсами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Методами высокоскоростной лазерной интерферометрии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии исследована временная динамика и морфология откольного разрушения пленочного образца ванадия микронной толщины при ударно-волновом нагружении фемтосекундными лазерными импульсами в различных условиях фокусировки излучения. Показано, что вблизи порога разрушения при длительности генерируемого импульса сжатия 50 пс и скорости деформирова ния 1.4 × 10 9 с –1 на тыльной поверхности формируется кратер глубиной 170–190 нм с наноразмерной шероховатостью. Результаты могут представлять интерес для изучения физики и моделирования процессов высокоскоростного разрушения металлов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

П. С. Комаров

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: struleva.evgenia@yandex.ru
Russian Federation, г. Москва

С. А. Ромашевский

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: struleva.evgenia@yandex.ru
Russian Federation, г. Москва

Е. В. Струлева

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Author for correspondence.
Email: struleva.evgenia@yandex.ru
Russian Federation, г. Москва

С. И. Ашитков

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: struleva.evgenia@yandex.ru
Russian Federation, г. Москва

References

  1. Семенов А.Ю., Абросимов С.А., Стучебрюхов И.А., Хищенко К.В. Изучение динамики волновых процессов сжатия и расширения в палладии при пикосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2023. Т. 61. № 4. С. 542.
  2. Хищенко К.В. Уравнение состояния алюминия при высоких давлениях // ТВТ. 2023. Т. 61. № 3. С. 477.
  3. Хищенко К.В. Уравнение состояния циркония при высоких давлениях // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 783.
  4. Crowhurst J.C., Reed B.W., Armstrong M.R. et al. The Phase Transition in Iron at Strain Rates up to ~10 9 s –1 // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. № 11. P. 113506.
  5. Мурзов С.А., Ашитков С.И., Струлева Е.В., Комаров П.С., Хохлов В.А., Жаховский В.В., Иногамов Н.А. Упругопластические и полиморфные превращения в пленках железа при нагрузке ультракороткими лазерными ударными волнами // ЖЭТФ. 2022. T. 161. № 3. C. 315.
  6. Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E. et al. The Elastic-plastic Response of Aluminum Films to Ultrafast Laser-Generated Shocks // Appl. Phys. 2011. V. 109. № 1. P. 013505.
  7. Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B. et al. Invariance of the Dissipative Action at Ultrahigh Strain Rates above the Strong Shock Threshold // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 144302.
  8. 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. № 5. P. 054109.
  9. Абросимов С.А., Бажулин А.П., Воронов В.В., Гераськин А.А., Красюк И.К., Пашинин П.П., Семенов А.Ю., Стучебрюхов И.А., Хищенко К.В., Фортов В.Е. Особенности поведения вещества в области отрицательных давлений, создаваемых действием лазерного импульса пикосекундной длительности // Квантовая электроника. 2013. Т. 43. № 3. С. 246.
  10. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б., Каннель Г.И. Механические и оптические свойства ванадия под действием ударных нагрузок пикосекундного диапазона // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 101. № 4. С. 294.
  11. Беликов Р.С., Красюк И.К., Ринеккер Т., Семенов А.Ю., Розмей О.Н., Стучебрюхов И.А., Томут М., Хищенко К.В., Шенляйн А. Отрицательные давления и откол в мишенях из графита при нано- и пикосекундном лазерном воздействии // Квантовая электроника. 2015. Т. 45. № 5. С. 421.
  12. Канель Г.И., Гаркушин Г.В., Савиных А.С., Разоренов С.В., Атрошенко С.А. Высокоскоростная деформация и разрушение стали 15Х2НМФА под действием ударной нагрузки при нормальной и повышенной температурах // ЖТФ. 2020. Т. 90. № 3. С. 441.
  13. Канель Г.И., Гаркушин Г.В., Савиных А.С., Разоренов С.В., Атрошенко С.А. Исследование скоростных зависимостей напряжения пластического течения и разрушения стали 09Г2СА-А при нормальной и повышенной температурах // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 11. С. 1698.
  14. Струлева Е.В., Комаров П.С., Евлашин С.А., Ашитков С.И. Поведение магниевого сплава при высокоскоростной деформации под действием ударно-волновой нагрузки // ТВТ. 20 22. Т. 60. № 5. С. 793.
  15. Ашитков С.И., Струлева Е.В., Комаров П.С., Евлашин С.А. Ударное сжатие молибдена при воздействии ультракороткими лазерными импульсами // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 790.
  16. Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177. № 8. С. 809.
  17. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Интерферометрическая диагностика нанодеформаций поверхности мишени в пикосекундном диапазоне при импульсном лазерном воздействии // Вестник ОИВТ. 2018. T. 1. № 1. С. 130.
  18. Ashitkov S.I., Komarov P.S., Romashevskiy S.A., Struleva E.V., Evlashin S.A. Destruction of a Magnesium Alloy Film in the Condensed State by an Ultrashort Laser-Driven Shock Wave // Phys. Fluids. 2023. V. 35. P. 107107.
  19. Domke M., Rapp S., Schmidt M., Huber H.P. Ultra-Fast Movies of Thin-Film Laser Ablation // Appl. Phys. A. 2012. V. 109. № 2. P. 409.
  20. Temnov V.V., Sokolovski-Tinten K., Zhou P., von der Linde D. Ultrafast Imaging Interferometry at Femtosecond Laser-Excited Surfaces // J. Opt. Soc. Am. B. 2006. V. 23. № 9. P. 1954.
  21. Romashevskiy S.A., Ashitkov S.I., Ovchinnikov A.V., Kondratenko P.S., Agranat M.B. Formation of Periodic Mesoscale Structures Arranged in a Circular Symmetry at the Silicon Surface Exposed to Radiation of a Single Femtosecond Laser Pulse // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 374. P. 12.
  22. Физические величины. Спр. / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991.
  23. Kanel G.I. Spall Fracture: Methodological Aspects, Mechanisms, and Governing Factors // Int. J. Fract. 2010. V. 163. P. 173.
  24. Степанов Г.В. Откольное разрушение металлов плоскими упругопластическими волнами нагрузки // Проблемы прочности. 1976. № 8. С. 66.
  25. Канель Г.И. Искажение волновых профилей при отколе в упругопластическом теле // ПМТФ. 2001. Т. 42. № 2. С. 194.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Spatiotemporal distribution of the change in the phase of the probing pulse ∆ϕ(x, t) when the shock wave reaches the free rear surface of the sample; the calibration coefficient for the time axis is 0.164 ps/px, for the spatial axis – 0.3 μm/px.

Download (15KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Evolution of the displacement (1) and velocity of movement (2) of the free surface of a 1320 nm thick vanadium film sample near the spallation threshold at a heating pulse energy density of F = 0.72 J/cm2.

Download (16KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Images of the rear surface of a 1320 nm thick vanadium film sample obtained using SEM (a) and AFM (b) after laser irradiation at a heating pulse energy density of F0 = 0.76 J/cm2 in tight focusing geometry.

Download (42KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Crater profile on the back surface of a vanadium sample in an experiment with tight focusing of a laser pulse at F0 = 0.76 J/cm2.

Download (12KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences