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

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.