Икс

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13796 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

В течение прошлого столетия понимание природы ударного сжатия конденсированного состояния было важной темой. Около 20 лет назад в качестве нового ударного двигателя появился фемтосекундный лазер. В отличие от обычных ударных волн, ударная волна, возбуждаемая фемтосекундным лазером, создает уникальные микроструктуры в материалах. Поэтому свойства этой ударной волны могут отличаться от свойств обычных ударных волн. Однако поведение решетки при фемтосекундном лазерном ударном сжатии так и не было выяснено. Здесь мы сообщаем о сверхбыстром поведении решетки в железе, подвергнутом прямому облучению фемтосекундным лазерным импульсом, диагностированном с помощью рентгеновской лазерной дифракции на свободных электронах. Мы обнаружили, что начальное состояние сжатия, вызванное фемтосекундной лазерной ударной волной, такое же, как и состояние, вызванное обычными ударными волнами. Мы также впервые экспериментально обнаружили временное отклонение пиков волн напряжения и деформации, предсказанное теоретически. Более того, существование пика пластической волны между пиками волн напряжения и деформации является новым открытием, которое не было предсказано даже теоретически. Наши результаты откроют новые возможности для разработки новых материалов, которые сочетают в себе прочность и ударную вязкость в компромиссных отношениях.

Состояния с высокой степенью сжатия посредством ударных волн были необходимы для понимания различных явлений, таких как синтез материала1 и укрепление2, высокоскоростные удары3, формирование планет4 и термоядерный синтез5. Свойства материала, такие как механические, оптические, электрические и магнитные, радикально изменяются за очень короткое время, когда он подвергается ударному сжатию6,7. В этих исследованиях в качестве источников ударной нагрузки в основном использовались взрывчатые вещества, удары пластин и мощные лазеры, главным образом потому, что такие приводы могут временно создавать в материале термодинамически устойчивое и термически равновесное ударное состояние, т.е. состояние Гюгонио8,9.

Фемтосекундный лазер — относительно новый инструмент с ударным приводом, который используется уже около 20 лет10,11,12,13. Прямое фемтосекундное лазерное облучение тонкой алюминиевой пленки создает ударное давление от 100 до 300 ГПа в зависимости от интенсивности лазерного излучения, оцененной в предположении состояния Гюгонио13. Фемтосекундная ударная волна, возбуждаемая лазером, в металле вызывает пластическую деформацию и, если материал имеет фазы высокого давления, фазовый переход высокого давления, оставляя уникальные следы, такие как уникальные дислокационные структуры14,15 и фазу высокого давления железа16, которые невозможно Полученные традиционными методами сжатия. Кроме того, пластическая деформация, вызванная прямым фемтосекундным лазерным облучением металлов, была применена для упрочнения металлов в качестве нового метода лазерной упрочнения без каких-либо жертвенных накладок в атмосферных условиях, называемого сухой лазерной упрочнением (DLP)17,18, тогда как традиционные методы лазерной упрочнения Использование наносекундных импульсных лазеров требует жертвенных накладок, таких как защитные покрытия и средства удержания плазмы19,20,21.

Характеристики ударной волны, возбуждаемой фемтосекундным лазером, такие как профиль ударной волны и пиковое давление, были диагностированы экспериментально с использованием сверхбыстрых схем накачки и зондирования10,11,12,13,22, таких как сверхбыстрая интерферометрия и сверхбыстрая динамическая эллипсометрия. В существующих исследованиях, за исключением работы Эванса13, использовалась схема удержания плазмы, т. е. лазер накачки проходит через стеклянную подложку и облучает тонкую металлическую пленку, нанесенную на стеклянную подложку, а зондирующий лазер облучает свободную поверхность пленки. Хотя эта схема запускает ударную волну и ее характеристики тщательно изучены10,11,12, существует опасение, что электроны и ионы, выброшенные из металла на ранней стадии фемтосекундного лазерного облучения, могут повлиять на формирование ударной волны из-за предварительного нагрева или плазменного воздействия. расширение, поскольку металлическая поверхность, облученная лазером, является границей раздела со стеклянной подложкой, а выброшенные электроны и ионы удерживаются на границе раздела23,24,25,26. Эванс и др. измерили сверхбыстрое поведение обратной стороны металла, когда лазер накачки облучал свободную поверхность металла, и сообщили, что оно приводится в действие ударным давлением от 100 до 300 ГПа, предполагая состояние Гюгонио13. Однако неясно, применима ли ударная волна, возбуждаемая прямым фемтосекундным лазерным излучением, в состоянии Гюгонио. Кроме того, сверхбыстрые интерферометрические и спектроскопические методы могут предоставить информацию о сверхбыстром поведении лазерных волн в результате смещений нанометрового порядка с пикосекундным временным разрешением10,11,12,13,22. Однако они не могут предоставить прямую информацию о поведении уровня решетки, что имеет решающее значение для понимания упругопластического поведения и поведения фазового перехода при ударном сжатии27,28,29,30.