Ultrarychlá interakce laseru s neuspořádanými slitinami: energetika procesů, přechodové mechanismy a elektronové korelace

David REDKA, M.Sc.

Disertační práce

Ultrafast laser-matter interaction in disordered alloys: process energetics, transient mechanisms, and electronic correlations

Abstract:

This dissertation investigates ultrashort pulse (USP) laser-matter interactions in disordered alloys, focusing on high-entropy alloys (HEAs) such as CrMnFeCoNi and conventional alloys like austenitic stainless steel AISI 304. By integrating experimental, theoretical, and computational approaches, the work explores laser ablation mechanisms, process energetics, and the role of electronic correlations, offering novel insights into ablation dynamics, energy efficiency, and material-specific responses. CrMnFeCoNi exhibits superior energy confinement due to enhanced electron-phonon coupling and reduced thermal conductivity, resulting in a lower ablation threshold. Compared to AISI 304, CrMnFeCoNi demonstrated a 33% increase in ablation efficiency, normalized to evaporation enthalpy. Pump-probe microscopy and transient transfer matrix modeling revealed that AISI 304 exhibited 1.75 times higher plume absorption, indicating a more dominant photothermal ablation process for the conventional alloy. For HEAs, the influence of stress confinement at varying pulse durations was examined, revealing a maximized mechanical contribution to ablation efficiency. This led to a heuristic model explaining pulse-duration-dependent efficiency through analysis of the effective penetration depth. A finite element-based simulation incorporating metastable phases, phase transitions, as well as material separation successfully predicted spallation processes, validated by state-of-the-art hydrodynamic simulations. Additionally, density functional theory coupled with dynamical mean-field theory revealed that strong electronic correlations significantly influence HEA transport and optical properties, especially at elevated temperatures and photon energies. These findings provide critical insights for optimizing USP laser processes in advanced manufacturing and functionalizing disordered alloys. They also advance predictive models for USP laser ablation in complex materials.

Abstract:

Tato disertační práce zkoumá interakce ultrakrátkých laserových pulsů (USP) s neuspořádanými slitinami, přičemž se zaměřuje na vysokosložkové slitiny (HEAs), jako je CrMnFeCoNi, a na konvenční slitiny, například austenitickou nerezovou ocel AISI 304. Práce kombinuje experimentální, teoretické a výpočetní přístupy ke studiu mechanismů laserové ablace, energetiky procesu a role elektronových korelací, a přináší nové poznatky o dynamice ablace, energetické účinnosti a specifických vlastnostech materiálů. Slitina CrMnFeCoNi vykazuje vynikající zachycení energie díky zesílené elektron-fononové vazbě a snížené tepelné vodivosti, což vede ke snížení prahové fluence pro ablaci. Ve srovnání s AISI 304 prokázala slitina CrMnFeCoNi o 33 % vyšší účinnost ablace, normalizovanou na výparné entalpie jednotlivých materiálů. Experimenty s pump-probe mikroskopií a modelování přenosové matice odhalily, že AISI 304 vykazovala 1,75 krát vyšší absorpci v ablativním plazmatu, což naznačuje dominantnější fototermální proces ablace u této konvenční slitiny. U HEA slitin byl zkoumán vliv stresového uzamčení při různých délkách pulzů, což odhalilo maximální mechanický příspěvek k účinnosti ablace. Tento výzkum vedl k návrhu heuristického modelu vysvětlujícího závislost účinnosti ablace na délce pulzu prostřednictvím analýzy efektivní penetrační hloubky. Simulace na bázi metody konečných prvků, zahrnující metastabilní fáze, fázové přechody i separaci materiálu, úspěšně předpověděla procesy spallace a byla validována špičkovými hydrodynamickými simulacemi. Kromě toho byla zkoumána souhra chemické neuspořádanosti a elektronových korelací ve vysokosložkových slitinách pomocí teorie funkcionálu hustoty (DFT) spojené s teorií dynamického středního pole (DMFT). Výpočty ukázaly, že silné korelace významně ovlivňují transportní a optické vlastnosti HEA slitin, zejména při zvýšených teplotách a energiích fotonů. Tyto poznatky mají zásadní význam pro optimalizaci procesů USP laserů v pokročilé výrobě a pro funkční využití neuspořádaných slitin v průmyslových aplikacích. Dále přispívají k pokroku v prediktivních modelech USP laserové ablace u komplexních materiálů.

Keywords

ultrakrátká laserová ablace, vysokosložkové slitiny, chemická neuspořádanost, elektronové korelace, účinnost ablace, dynamika spallace, pump-probe mikroskopie, teorie funkcionálu hustoty, optické vlastnosti

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 1. 2025

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Prof. Dr. Ján Minár

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika plazmatu a tenkých vrstev / Fyzika plazmatu a tenkých vrstev