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Amplification and regulation of periodic nanostructures in multipulse ultrashort laser-induced surface evolution by electromagnetic-hydrodynamic simulations

通量 飞秒 材料科学 激光器 烧蚀 穿透深度 光学 辐照 激光烧蚀 超短脉冲 传热 原子物理学 机械 物理 核物理学 航空航天工程 工程类
作者
Anton Rudenko,Cyril Mauclair,Florence Garrelie,Razvan Stoian,Jean‐Philippe Colombier
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (23) 被引量:73
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.235412
摘要

The formation of periodic structures in ultrafast laser-irradiated surfaces implies dynamic coupling between the incoming light and the light-driven material. To capture the mutual influence and feedback between light and evolving surface topographies, we investigate numerically the evolution of metal surfaces irradiated by multiple femtosecond laser pulses of sub-, near-, and slightly above-threshold ablation fluence. The multiphysical model combines Maxwell equations and thermohydrodynamic approach based on electron-ion heat transfer and compressible Navier-Stokes equations and allows us to account for interpulse feedback on the resulting surface topographies. First pulses of the subthreshold energy lead to material swelling, nanocavitation few tens of nanometers below the surface, and, as a result, nanoroughness formation on the initially flat surface. Further pulses contribute to the development of periodic surface structures, enhanced absorption, and increased removal rate. Cavitation in the tips of ripples is found to play a crucial role in modification and regulation of surface topography for sub- and near-threshold ablation fluences. At higher laser pulse energy, thermal ablation is mostly involved in surface modification, and the ablation rate per power reaches its maximum at three to five times the ablation threshold fluence, resulting from the optimal heat penetration depth for laser ablation. The numerical results offer a better understanding of the surface topography modifications upon multipulse femtosecond laser irradiation.

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