Molekulardynamische Simulationen der Laserablation an Aluminium unter Einbeziehung von Plasmaeffekten

Abstract

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Modellierung und Simulation der ultrakurz gepulsten Laserablation am Modellmaterial Aluminium. Das Zweitemperaturmodell, welches das anfängliche thermische Nichtgleichgewicht zwischen den angeregten Elektronen und dem kalten Metallgitter beschreibt wird mit der klassischen Molekulardynamik in einem Hybridansatz gekoppelt. Auf diese Weise wird eine plausible Beschreibung der hierbei stattfindenden, mehrere Zeit- und Längenskalen überspannenden physikalischen Prozesse ermöglicht, ohne auf a priori Annahmen hinsichtlich der metastabilen Phasenübergänge und sonstiger Ablationsmechanismen angewiesen zu sein. Ergänzt wird dieser Ansatz mit unterschiedlichen Modellen für die thermophysikalischen, optischen und Transporteigenschaften des Elektronensystems um einen weiten Temperatur- und Dichtebereich, ausgehend vom kalten Festkörper- bis hin in den heißen Plasmazustand zu berücksichtigen. Das neue Modell wird in das, am ehemaligen Institut für theoretische und angewandte Physik entwickelte Programmpaket IMD implementiert und erweitert den Anwendungsbereich auf Ablations-Simulationen bei hohen Laserintensitäten und Mehrfachpulse. In dieser Arbeit wird es unter anderem dafür eingesetzt, die experimentell beobachtete Sättigung der Ablationseffizienzbei hohen Intensitäten sowie die Abnahme der Abtragstiefe bei Doppelpulsen mit zunehmendem Pulsabstand zu untersuchen. Im Vordergrund steht dabei immer der Vergleich mit dem Experiment. Im Falle von ultrakurzen Pulsen kann eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Messungen erzielt werden. Als essentiell erweist sich hierbei das Einbeziehen der verminderten Elektronen-Ionen Stoßfrequenz beim allmählichen Übergang in den Plasmazustand sowie eine vollständig wellenoptische Behandlung der Licht-Materie-Wechselwirkung. Für Pulsdauern oberhalb von 1 ps führt eine Erweiterung des Modells zur Berücksichtigung des ballistischen Transports angeregter Elektronen, sowie deren verzögerte Thermalisierung zu zuverlässigen Vorhersagen der Abtragstiefen. Auf Grundlage der Simulationen sowie simpler thermodynamischer Überlegungen werden Kriterien, in Form von Schwellenwerten für die isochore Temperaturzunahme formuliert, die eine systematische Kategorisierung der unterschiedlichen Ablationsmechanismen erlauben. In diesem Zusammenhang kann ferner festgestellt werden, dass die Phasenexplosion entgegen der Behauptung einiger Autoren, eine Besonderheit der ultrakurzen Laserablation ist. Bei Pulsdauern im Bereich einiger Pikosekunden hingegen wird festgestellt, dass die Ablation hauptsächlich auf einem Mechanismus beruht, der in der Literatur als Fragmentierung bekannt ist.