Simulation der Laserablation an Metallen

Abstract

Die Zielsetzung der Arbeit ist die Simulation der Absorption von Laserpulsen und der dadurch verursachten thermischen und mechanischen Effekte in Metallen auf Parallelrechnern. Dies sollte geschehen durch die eigenständige Programmierung von Zusatzmodulen für den am Institut für Theoretische und Angewandte Physik gepflegten Molekulardynamik-Code IMD (ITAP Molecular Dynamics) und deren Verwendung zur Untersuchung der ersten ~100 ps von Laserablationsprozessen.

Der Quellcode war dazu um Algorithmen zur phänomenologischen Einkopplung von Energie aus dem Lichtfeld eines Lasers zu erweitern.

Für die notwendige Simulation elektronischer Eigenschaften, die in klassischen Molekulardynamiksimulationen nicht berücksichtigt sind, sollte hierbei eine Implementation des sogenannten Zwei-Temperatur-Modells (Two-Temperature-Model, TTM) für Elektronen und Gitter durchgeführt werden. Dieses Modell berücksichtigt in einfacher Weise den elektronischen Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit in Metallen, ohne den sich ein grob verfälschtes Bild der thermischen Transporteigenschaften ergäbe. Außerdem bekommt man so erst die Möglichkeit, ein Metall im Nichtgleichgewicht zwischen Elektronen- und Gittertemperatur zu untersuchen, wie es bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Lichtpulsen auftritt, da die Energieeinkopplung ins Material aus dem Laser über die Elektronen erfolgt.

Für die eigentliche Simulation wurde wegen seiner Einfachheit und der Verfügbarkeit der nötigen Materialparameter das Metall Aluminium gewählt. Dafür kamen zwei EAM-Potenziale aus verschiedenen Quellen zum Einsatz, die für das Zwei-Temperatur-Modell und die Lasereinkopplung benötigten Materialparameter wurden anderen Arbeiten entnommen.