SIL'NOE VOZBUZhDENIE ELEKTRONNOY PODSISTEMY ZOLOTA UL'TRAKOROTKIM LAZERNYM IMPUL'SOM I PROTsESSY RELAKSATsII OKOLO TEMPERATURY PLAVLENIYa

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Фемтосекундные импульсы широко используются в научных исследованиях и современных технологиях. При воздействии на металлы ультракороткое оптическое лазерное воздействие формирует выраженное двухтемпературное состояние с горячими электронами: Te ≫ Ti, где Te и Ti - температуры электронной и решеточной подсистем. Представлены экспериментальные измерения, выполненные с помощью техники фазочувствительного или синхронного детектирования (lock-in) на объемной и пленочной (толщина 100 нм) мишенях из золота. Благодаря тому, что в наших опытах частота повторений нагревающих импульсов снижена до 31 Гц, нам удалось достичь температур около температуры плавления золота. Это происходит на выходе из двухтемпературной стадии в объемных мишенях. Как известно, по окончании этой стадии температуры сближаются, Te ≈ Ti. В объемных мишенях при наибольших достигнутых нами флюенсах пиковая электронная температура повышается до значений около 20 кК. Теоретические расчеты, имеющиеся в литературе, дают определенные зависимости для параметра электрон-фононного взаимодействия α и коэффициента электронной теплопроводности κ - ключевых параметров, характеризующих двухтемпературную стадию. Наши опыты показали, что в диапазоне флюенсов с пиковыми температурами Te выше 10 кК и до 20 кК измеренные значения α и κ существенно ниже тех значений, которые дают теории. Ниже этого диапазона флюенсов, т. е. когда пиковые Te меньше 10 кК, измеренные нами значения согласуются с прежними данными. Это первый результат статьи. Кроме того, показано, что на однотемпературной стадии, когда тепловая энергия, запасенная в электронах, весьма мала, имеется значительное влияние принципиально двухтемпературного коэффициента α на теплоотвод из скин-слоя. Это связано с относительно малой толщиной прогретого слоя, которая в золоте составляет величину порядка 200–300 нм.

About the authors

N. A Inogamov

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук; Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова, Росатом; Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: nailinogamov@gmail.com
142432, Черноголовка, Московская обл., Россия; 127030, Москва, Россия; 125412, Москва, Россия

V. A Khokhlov

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук; Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: email@example.com
142432, Черноголовка, Московская обл., Россия; 125412, Москва, Россия

S. A Romashevskiy

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: email@example.com
125412, Москва, Россия

Yu. V Petrov

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук

Email: email@example.com
142432, Черноголовка, Московская обл., Россия

M. A Ovchinnikov

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: email@example.com
125412, Москва, Россия

S. I Ashitkov

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: email@example.com
125412, Москва, Россия

References

  1. A.B. Cherepakhin, D.V. Pavlov, I. I. Shishkin et al., Appl.Phys. Lett. 117, 041108 (2020).
  2. S. I. Kudryashov, A.A. Samokhvalov, Ya.D. Golubev et al., Appl. Surf. Sci. 537, 147940 (2021).
  3. K. Kaleris, E. Kaniolakis-Kaloudis, E. Kaselouris et al., Appl.Phys.A 129, 527 (2023).
  4. S.A. Romashevskiy, A. I. Ignatov, V.V. Zhakhovsky et al., Appl. Surf. Sci. 615, 156212 (2023).
  5. T. Kawashima, T. Sano, A. Hirose et al., J.Mater. Process.Technol.262, 111 (2018).
  6. U. Trdan, T. Sano, D. Klobcar et al., Corrosion Sci. 143, 46 (2018).
  7. Н.А. Иногамов, Е.А. Перов, В.В.Жаховский и др., Письма в ЖЭТФ 115, 80 (2022).
  8. В.А. Хохлов, В.В.Жаховский, Н.А. Иногамов и др., Письма в ЖЭТФ 115, 576 (2022).
  9. V. Zhakhovsky, Yu. Kolobov, S. Ashitkov et al., Phys. Fluids 35, 096104 (2023).
  10. С.И. Анисимов, Б.Л. Капелиович, Т.Л. Перельман, ЖЭТФ 66, 776 (1974).
  11. W. S. Fann, R. Storz, H.W.K. Tom, and J. Bokor, Phys.Rev. Lett. 68, 2834 (1992).
  12. C.-K. Sun, F. Vall´ee, L.H. Acioli et al., Phys. Rev.B 50, 15337 (1994).
  13. J. Hohlfeld, S.-S. Wellershoff, J. Guedde et al., Chem.Phys. 251, 237 (2000).
  14. N. Del Fatti, C. Voisin, M. Achermann et al., Phys.Rev.B 61, 16956 (2000).
  15. A.N. Smith and P.M. Norris, Appl.Phys. Lett. 78, 1240 (2001).
  16. P.E. Hopkins, J.M. Klopf, and P.M. Norris, Appl. Opt. 46, 2076 (2007).
  17. Yu.V. Petrov, K.P. Migdal, N.A. Inogamov, and V.V. Zhakhovsky, Appl.Phys.B 119, 401 (2015).
  18. Ю.В. Петров, К.П. Мигдал, Н.А. Иногамов, С.И. Анисимов, Письма в ЖЭТФ 104, 446 (2016).
  19. B.Y. Mueller and B. Rethfeld, Phys.Rev.B 87, 035139 (2013).
  20. B. Rethfeld, D. S. Ivanov, M.E. Garcia, and S. I. Anisimov, J.Phys.D 50, 193001 (2017).
  21. А.А. Абрикосов, Основы теории металлов, Москва, Наука (1987).
  22. S. Chapman and T.G. Cowling, The Mathematical Theory of Non-Uniform Gases, Cambridge Univ. Press (1970).
  23. М.И. Каганов, И.М. Лифшиц, Л.В. Танатаров, ЖЭТФ 31, 232 (1956).
  24. Yu.V. Petrov, Laser Part.Beams 23, 283 (2005).
  25. V.V. Temnov, K. Sokolowski-Tinten, P. Zhou, and D. von der Linde, J.Opt. Soc.Am.B 23, 1954 (2006).
  26. C.A. Paddock and G. L. Eesley, J.Appl.Phys. 60, 285 (1986).
  27. Н.А. Иногамов, В.А. Хохлов, С.А. Ромашевский и др., Письма в ЖЭТФ 117, 107 (2023).
  28. V.V. Temnov, C. Klieber, K.A. Nelson et al., Nature Commun. 4, 1468 (2013).
  29. F. Akhmetov, I. Milov, S. Semin et al., Vacuum 212, 112045 (2023).
  30. K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, A. Cavalleri et al., Phys.Rev. Lett. 81, 224 (1998).
  31. Н.А. Иногамов, В.В.Жаховский, С.И. Ашитков и др., ЖЭТФ 134, 5 (2008).
  32. J.C. Crowhurst, M.R. Armstrong, K.B. Knight et al., Phys.Rev. Lett. 107, 144302 (2011).
  33. С.И. Ашитков, П.С. Комаров, М.Б. Агранат и др., Письма в ЖЭТФ 98, 439 (2013).
  34. N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Ishino et al., Springer Proc.Phys. 202, 273 (2018).
  35. B. Albertazzi, N. Ozaki, V. Zhakhovsky et al., Sci.Adv. 3, e160270 (2017).
  36. M. Z. Mo, Z. Chen, R.K. Li et al., Science 360 (6396), 1451 (2018).
  37. R. Fang, A. Vorobyev, and Ch. Guo, Light: Sci. Appl. 6, e16256 (2017).
  38. Н.А. Иногамов, А.М. Опарин, Ю.В. Петров и др., Письма в ЖЭТФ 69, 284 1999).
  39. В.В.Жаховский, К. Нишихара, С.И. Анисимов, Н.А. Иногамов, Письма в ЖЭТФ 71, 241 (2000).
  40. L.V. Zhigilei and B. J. Garrison, J.Appl.Phys. 88, 1281 (2000).
  41. Н.А. Иногамов, Ю.В. Петров, ЖЭТФ 137, 505 (2010).
  42. N.A. Smirnov, Phys.Rev.B 106, 024109 (2022).
  43. Zh. Lin, L.V. Zhigilei, and V. Celli, Phys.Rev.B 77, 075133 (2008).
  44. Н.А. Иногамов, В.В.Жаховский, В.А. Хохлов, ЖЭТФ147, 20 (2015)
  45. С.И. Анисимов, В.В.Жаховский, Н.А. Иногамов и др.,ЖЭТФ 156, 806 (2019).
  46. M.E. Povarnitsyn, T.E. Itina, P.R. Levashov, and K.V. Khishchenko, Phys.Chem.Chem.Phys. 15, 3108 (2013).
  47. A. Block, R. Yu, Ieng-Wai Un et al., ACS Photonics 10, 1150 (2023).
  48. Ю.В. Петров, Н.А. Иногамов, К.П. Мигдал, Письма в ЖЭТФ 97, 24 (2013).
  49. S. I. Ashitkov, P. S. Komarov, V.V. Zhakhovsky et al., J.Phys.: Conf. Ser. 774, 012097 (2016).
  50. A. Block, M. Liebel, R. Yu et al., Sci.Adv. 5, eaav8965 (2019).
  51. M. Segovia and X. Xu, Nano Lett. 21, 7228 (2021).
  52. G. Gao, L. Jiang, B. Xue et al., Small Methods 7, 2201260 (2023).
  53. N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, S. I. Ashitkov et al., Contrib.Plasma Phys. 51, 367 (2011).
  54. N.A. Inogamov and V.V. Zhakhovsky, J.Phys.: Conf. Ser. 681, 012001 (2016).
  55. N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, V.A. Khokhlov et al., J.Phys.: Conf. Ser. 774, 012102 (2016).
  56. V.V. Shepelev and N.A. Inogamov, J.Phys: Conf. Ser. 946, 012010 (2018).
  57. J.M. Liu, Opt. Lett. 7, 196 (1982).
  58. S. I. Kudryashov, A.A. Samokhvalov, Ya.D. Golubev et al., Appl. Surf. Sci. 537, 147940 (2021).
  59. S. I. Ashitkov, N.A. Inogamov, P. S. Komarov et al., High Temp. 60, 192 (2022).
  60. S. Babar and J.H. Weaver, Appl.Opt. 54, 477 (2015).
  61. H. Reddy, U. Guler, A.V. Kildishev et al., Opt. Mater.Express 6, 2776 (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences