Динамика фазовых переходов и перегретых метастабильных состояний при нано-фемтосекундном лазерном воздействии на металлические мишени

В рамках одномерной многофронтовой гидродинамической задачи Стефана, записанной для двух фаз (твердая и жидкая) осуществляется математическое описание импульсного лазерного нагрева, плавления и испарения металлической мишени в среду с противодавлением. На границе раздела конденсированной и газовой сред задача Стефана сопряжена с системой уравнений радиационной газовой динамики с теплопроводностью, описывающей процессы в испаренном веществе и воздухе. Для численного решения применялся конечно-разностный метод динамической адаптации, позволяющий производить расчеты с явным выделением межфазных границ и ударных волн. В результате по пространству задача содержала шесть расчетных областей с семью границами, из которых шесть – подвижные, включая две ударные волны и правую свободную границу в воздухе.
Сформулированная модель использовалась для расчетов лазерного воздействия с $\lambda=0.8$ мкм, $\tau=10^{-8}\div10^{-15}$ с и $G_0=10^9\div10^{16}$ Вт/cм$^2$ на мишень из Al. Моделирование показало, что при воздействии длинных $\sim1$ нс импульсов большая часть лазерной энергии тратится на плавление и нагрев жидкости. Толщина расплава достигает величины 1.2 мкм. В фемтосекундных импульсах большая часть энергии расходуется на нагрев твердого тела и формирование ударной волны в твердом теле. Характерная толщина расплава не превышает 0.03 мкм. В то же время толщины испаренного вещества примерно одинаковы для обоих видов импульсов.
Для наносекундных импульсов плазма в испаренном веществе не образуется, если плотность излучения $J$ меньше чем 30 Дж/cм$^2$. При тех же значениях $J$ для фемтосекундных импульсов плазма возникает после окончания воздействия и носит термический характер.