Validation of the software package IMD for molecular dynamics simulations of laser induced ablation for micro propulsion

Abstract

Das Konzept für einen Mikroantrieb auf Basis von Laserablation (MICROLAS) des Instituts für Technische Physik (ITP) des DLR Stuttgart stellt eine mögliche Alternative zu bestehenden Konzepten im nN - μN-Bereich dar. Es basiert auf Laserablation, also dem Materialabtrag bei Bestrahlung eines Targets mit einem gepulsten Laser. Die Möglichkeit zur genauen Regelung der eingetragenen Energie durch den Laser sowie dessen Repetitionsrate sollte zu regelbarem Materialabtrag führen, der in einem weiten Bereich von genau einstellbaren Impulsbits resultieren kann. Die Genauigkeit, technische Machbarkeit sowie Reproduzierbarkeit wird und wurde in einer Reihe von Studien am ITP geprüft. In der vorliegenden Arbeit wird das Programm IMD des Instituts für Theoretische und Angewandte Physik (ITAP) der Universität Stuttgart zur Simulation des Materialabtrages diskutiert. Durch Skripte werden aus den Daten des Programms wichtige Parameter extrahiert und für ein weiteres Programm bereitgestellt, das die zeitliche Entwicklung des Ablationsjets simulieren soll (PICLas Code). Die Ergebnisse der durchgeführten Simulationen werden mit solchen eines hydro-dynamischen Simulationsprogramms (VLL) sowie mit experimentellen Daten verglichen.

A new concept of micro propulsion based upon laser ablation was introduced by the Institute of Technical Physics of DLR Stuttgart. Pulsed lasers are used for material removal of a target. The amount of removed material should be tuneable due to the tuneability of input laser energy and repetition rate, resulting in well defined impulse bits and low small thrusts down to the sub-μN scale. Its accuracy, feasibility and reproducibility were and still are under examination. In this thesis, the program IMD of the Institute of Theoretical and Applied Physics is discussed with respect to the simulation of ablation. Via scripts, data output of the program is converted into important parameters and provided for another program intended for simulation of the ablation jet (PICLas code). Results of executed simulations are compared with those of a hydrodynamic simulation program (VLL) and experimental data.