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 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