npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.56304/S2079562922050475npe-175Research ArticleВзаимодействие плазмы, пучков частиц и излучения с веществомInteraction of Plasma, Particle Beams and Radiation with MatterОпределение диаметра и глубины кратеров абляции вещества при наносекундных лазерных импульсах с использованием компьютерного моделированияDetermination of the Diameter and Depth Of Substance Ablation Craters during Nanosecond Laser Pulses Using Computer ModelingЩекинА. С.ShchekinA. S.

Москва, 115409;

Фрязино, 141195

Moscow, 115409;

Fryazino, 14119

alex-shekin@yandex.ruПетровскийВ. Н.PetrovskiyV. N.

Москва, 115409

Moscow, 115409

ГавриковА. А.GavrikovA. A.

Москва, 115409;

Фрязино, 141195

Moscow, 115409;

Fryazino, 14119

МаринД. В.MarinD. V.

Москва, 115409

Moscow, 115409

ИвановА. А.IvanovA. A.

Москва, 115409

Moscow, 115409

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”; ООО НТО “ИРЭ-Полюс”РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute); IPG IRE-PolusRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation202331122023143303310Copyright © Щекин А.С., Петровский В.Н., Гавриков А.А., Марин Д.В., Иванов А.А., 20232023Щекин А.С., Петровский В.Н., Гавриков А.А., Марин Д.В., Иванов А.А.Shchekin A.S., Petrovskiy V.N., Gavrikov A.A., Marin D.V., Ivanov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/175

В работе представлено построение компьютерной модели формирования кратеров при наносекундном лазерном испарении вещества на примере монокристаллического кремния. При помощи компьютерного моделирования определена динамика формирования кратера на поверхности материала при воздействии наносекундных лазерных импульсов. Проведена оценка диаметра получаемого кратера и его глубина. Также были проведены соответствующие эксперименты по лазерной абляции монокристаллического кремния. Анализ экспериментальный данных и результатов моделирования показал, что в зависимости от длительности импульса и плотности энергии лазерного излучения изменяется механизм удаления материала. Так, наличие жидкой фазы в процессе абляции серьезным образом влияет на глубину и диаметр кратера для всего диапазона плотностей энергии от 0.4 до 104.0 Дж/см2 . Показано, что компьютерная модель позволяет определить объем удаляемого материала за счет испарения и оценить влияние жидкой фазы на характеристики кратеров.

This paper presents the construction of a computer model of crater formation during nanosecond laser evaporation of matter by the example of monocrystalline silicon. The computer simulation is used to determine the dynamics of crater formation on the material surface when exposed to nanosecond laser pulses. The diameter of the obtained crater and its depth were evaluated. The corresponding experiments on laser ablation of monocrystalline silicon were also carried out. The analysis of experimental data and simulation results showed that depending on the pulse duration and energy density of laser radiation the mechanism of material removal changes. Thus, the presence of the liquid phase in the ablation process seriously affects the depth and diameter of the crater for the entire range of energy densities from 0.4 to 104.0 J/cm2 . It is shown that a computer model can determine the volume of removed material due to evaporation and evaluate the effect of the liquid phase on crater characteristics.

компьютерное моделированиелазерная абляциялазерная обработкаcomputer modelinglaser ablationlaser processingReferencesBorghi A. et al. // Wear. 2008. V. 265 (7–8). P. 1046.Borghi A. et al. // Wear. 2008. V. 265 (7–8). P. 1046.Baino F. et al. // Coatings. 2019. V. 9 (6). P. 369.Baino F. et al. // Coatings. 2019. V. 9 (6). P. 369.Komvopoulos K. // J. Adhes. Sci. Technol. 2003. V. 17 (4). P. 477−517.Komvopoulos K. // J. Adhes. Sci. Technol. 2003. V. 17 (4). P. 477−517.Etsion I. // J. Tribol. 2005. V. 127 (1). P. 248−253.Etsion I. // J. Tribol. 2005. V. 127 (1). P. 248−253.Wang Y. et al. // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 113. P. 1246.Wang Y. et al. // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 113. P. 1246.Lee J., Yoo J., Lee K. // J. Mech. Sci. Technol. 2014. V. 28 (5). P. 1797−1802.Lee J., Yoo J., Lee K. // J. Mech. Sci. Technol. 2014. V. 28 (5). P. 1797−1802.Zhang J.J. et al. // Adv. Eng. Mater. 2019. V. 21 (8). P. 1900193.Zhang J.J. et al. // Adv. Eng. Mater. 2019. V. 21 (8). P. 1900193.Bulgakova N.M., Bulgakov A.V. // Appl. Phys. A. 2001. V. 73 (2). P. 199−208.Bulgakova N.M., Bulgakov A.V. // Appl. Phys. A. 2001. V. 73 (2). P. 199−208.Bulgakova N.M., Bulgakov A.V., Babich L.P. // Appl. Phys. A. 2004. V. 79 (4−6). P. 1323−1326.Bulgakova N.M., Bulgakov A.V., Babich L.P. // Appl. Phys. A. 2004. V. 79 (4−6). P. 1323−1326.Schwarz-Selinger T. et al. // Phys. Rev. B. 2001. V. 64 (15). P. 1553231−1553237.Schwarz-Selinger T. et al. // Phys. Rev. B. 2001. V. 64 (15). P. 1553231−1553237.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.