STRONG EXCITATION OF THE ELECTRONIC SUBSYSTEM OF GOLD BY AN ULTRASHORT LASER PULSE AND RELAXATION PROCESSES NEAR THE MELTING TEMPERATURE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Femtosecond lasers are widely used in scientific research and modern technologies. When applied to metals, ultrashort optical laser radiation produces a pronounced two-temperature state with hot electrons: Te >> Ti, where Te and Ti are the temperatures of the electron and lattice subsystems. Our experimental measurements were carried out using phase-sensitive (lock-in) detection technique on bulk and film (100 nm thick) gold targets. Due to the fact that in our experiments the repetition rate of heating (pump) pulses was reduced to 31 Hz, we were able to reach lattice temperatures near the melting point of gold. This occurs at the exit of the two-temperature stage in bulk targets. As we know, at the end of this stage, the temperatures converge, Te ≈ Ti. In bulk targets, at the highest fluences we achieved, the peak electron temperature increases to values around 20 kK. Theoretical calculations available in the literature give certain dependences for the electron-phonon coupling parameter a and the electron thermal conductivity coefficient k; they are the key parameters that characterize the two-temperature state. Our experiments showed that in the range of fluences with peak temperatures Te above 10 kK and up to 20 kK, the measured values of a and k are significantly lower than than the values given by theories. Below this range of fluences, i.e., when the peak Te is less than 10 kK, our measured values are in agreement with previous data. This is the first result of the paper. In addition, it is shown that at one-temperature stage, when the thermal energy stored in the electrons is very small, there is a significant influence of the fundamentally two-temperature coefficient a on heat transfer from the skin layer. This is due to the relatively small thickness of the heated layer, which is of the order of 200-300 nm in gold.

About the authors

N. A. Inogamov

Landau Institute for Theoretical Physics of Russian Academy of Sciences (ITP); The Federal State Unitary Enterprise Dukhov Automatics Research Institute (VNIIA); Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT)

Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 142432 Moscow Region, Chernogolovka; 127055 Moscow; 125412 Moscow

V. A. Khokhlov

Landau Institute for Theoretical Physics of Russian Academy of Sciences (ITP); Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT)

Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 142432 Moscow Region, Chernogolovka; 125412 Moscow

S. A. Romashevskiy

Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT)

Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 125412 Moscow

Yu. V. Petrov

Landau Institute for Theoretical Physics of Russian Academy of Sciences (ITP)

Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 142432 Moscow Region, Chernogolovka

M. A. Ovchinnikov

Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT)

Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 125412, Moscow

S. I Ashitkov

Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences (JIHT)

Author for correspondence.
Email: nailinogamov@gmail.com
Russian Federation, 125412, Moscow

References

  1. A.B. Cherepakhin, D.V. Pavlov, I. I. Shishkin et al., Appl.Phys. Lett. 117, 041108 (2020).
  2. S. I. Kudryashov, A.A. Samokhvalov, Ya.D. Golubev et al., Appl. Surf. Sci. 537, 147940 (2021).
  3. K. Kaleris, E. Kaniolakis-Kaloudis, E. Kaselouris et al., Appl.Phys.A 129, 527 (2023).
  4. S.A. Romashevskiy, A. I. Ignatov, V.V. Zhakhovsky et al., Appl. Surf. Sci. 615, 156212 (2023).
  5. T. Kawashima, T. Sano, A. Hirose et al., J.Mater. Process.Technol.262, 111 (2018).
  6. U. Trdan, T. Sano, D. Klobcar et al., Corrosion Sci. 143, 46 (2018).
  7. Н.А. Иногамов, Е.А. Перов, В.В.Жаховский и др., Письма в ЖЭТФ 115, 80 (2022).
  8. В.А. Хохлов, В.В.Жаховский, Н.А. Иногамов и др., Письма в ЖЭТФ 115, 576 (2022).
  9. V. Zhakhovsky, Yu. Kolobov, S. Ashitkov et al., Phys. Fluids 35, 096104 (2023).
  10. С.И. Анисимов, Б.Л. Капелиович, Т.Л. Перельман, ЖЭТФ 66, 776 (1974).
  11. W. S. Fann, R. Storz, H.W.K. Tom, and J. Bokor, Phys.Rev. Lett. 68, 2834 (1992).
  12. C.-K. Sun, F. Vall´ee, L.H. Acioli et al., Phys. Rev.B 50, 15337 (1994).
  13. J. Hohlfeld, S.-S. Wellershoff, J. Guedde et al., Chem.Phys. 251, 237 (2000).
  14. N. Del Fatti, C. Voisin, M. Achermann et al., Phys.Rev.B 61, 16956 (2000).
  15. A.N. Smith and P.M. Norris, Appl.Phys. Lett. 78, 1240 (2001).
  16. P.E. Hopkins, J.M. Klopf, and P.M. Norris, Appl. Opt. 46, 2076 (2007).
  17. Yu.V. Petrov, K.P. Migdal, N.A. Inogamov, and V.V. Zhakhovsky, Appl.Phys.B 119, 401 (2015).
  18. Ю.В. Петров, К.П. Мигдал, Н.А. Иногамов, С.И. Анисимов, Письма в ЖЭТФ 104, 446 (2016).
  19. B.Y. Mueller and B. Rethfeld, Phys.Rev.B 87, 035139 (2013).
  20. B. Rethfeld, D. S. Ivanov, M.E. Garcia, and S. I. Anisimov, J.Phys.D 50, 193001 (2017).
  21. А.А. Абрикосов, Основы теории металлов, Москва, Наука (1987).
  22. S. Chapman and T.G. Cowling, The Mathematical Theory of Non-Uniform Gases, Cambridge Univ. Press (1970).
  23. М.И. Каганов, И.М. Лифшиц, Л.В. Танатаров, ЖЭТФ 31, 232 (1956).
  24. Yu.V. Petrov, Laser Part.Beams 23, 283 (2005).
  25. V.V. Temnov, K. Sokolowski-Tinten, P. Zhou, and D. von der Linde, J.Opt. Soc.Am.B 23, 1954 (2006).
  26. C.A. Paddock and G. L. Eesley, J.Appl.Phys. 60, 285 (1986).
  27. Н.А. Иногамов, В.А. Хохлов, С.А. Ромашевский и др., Письма в ЖЭТФ 117, 107 (2023).
  28. V.V. Temnov, C. Klieber, K.A. Nelson et al., Nature Commun. 4, 1468 (2013).
  29. F. Akhmetov, I. Milov, S. Semin et al., Vacuum 212, 112045 (2023).
  30. K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, A. Cavalleri et al., Phys.Rev. Lett. 81, 224 (1998).
  31. Н.А. Иногамов, В.В.Жаховский, С.И. Ашитков и др., ЖЭТФ 134, 5 (2008).
  32. J.C. Crowhurst, M.R. Armstrong, K.B. Knight et al., Phys.Rev. Lett. 107, 144302 (2011).
  33. С.И. Ашитков, П.С. Комаров, М.Б. Агранат и др., Письма в ЖЭТФ 98, 439 (2013).
  34. N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Ishino et al., Springer Proc.Phys. 202, 273 (2018).
  35. B. Albertazzi, N. Ozaki, V. Zhakhovsky et al., Sci.Adv. 3, e160270 (2017).
  36. M. Z. Mo, Z. Chen, R.K. Li et al., Science 360 (6396), 1451 (2018).
  37. R. Fang, A. Vorobyev, and Ch. Guo, Light: Sci. Appl. 6, e16256 (2017).
  38. Н.А. Иногамов, А.М. Опарин, Ю.В. Петров и др., Письма в ЖЭТФ 69, 284 1999).
  39. В.В.Жаховский, К. Нишихара, С.И. Анисимов, Н.А. Иногамов, Письма в ЖЭТФ 71, 241 (2000).
  40. L.V. Zhigilei and B. J. Garrison, J.Appl.Phys. 88, 1281 (2000).
  41. Н.А. Иногамов, Ю.В. Петров, ЖЭТФ 137, 505 (2010).
  42. N.A. Smirnov, Phys.Rev.B 106, 024109 (2022).
  43. Zh. Lin, L.V. Zhigilei, and V. Celli, Phys.Rev.B 77, 075133 (2008).
  44. Н.А. Иногамов, В.В.Жаховский, В.А. Хохлов, ЖЭТФ147, 20 (2015)
  45. С.И. Анисимов, В.В.Жаховский, Н.А. Иногамов и др.,ЖЭТФ 156, 806 (2019).
  46. M.E. Povarnitsyn, T.E. Itina, P.R. Levashov, and K.V. Khishchenko, Phys.Chem.Chem.Phys. 15, 3108 (2013).
  47. A. Block, R. Yu, Ieng-Wai Un et al., ACS Photonics 10, 1150 (2023).
  48. Ю.В. Петров, Н.А. Иногамов, К.П. Мигдал, Письма в ЖЭТФ 97, 24 (2013).
  49. S. I. Ashitkov, P. S. Komarov, V.V. Zhakhovsky et al., J.Phys.: Conf. Ser. 774, 012097 (2016).
  50. A. Block, M. Liebel, R. Yu et al., Sci.Adv. 5, eaav8965 (2019).
  51. M. Segovia and X. Xu, Nano Lett. 21, 7228 (2021).
  52. G. Gao, L. Jiang, B. Xue et al., Small Methods 7, 2201260 (2023).
  53. N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, S. I. Ashitkov et al., Contrib.Plasma Phys. 51, 367 (2011).
  54. N.A. Inogamov and V.V. Zhakhovsky, J.Phys.: Conf. Ser. 681, 012001 (2016).
  55. N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovsky, V.A. Khokhlov et al., J.Phys.: Conf. Ser. 774, 012102 (2016).
  56. V.V. Shepelev and N.A. Inogamov, J.Phys: Conf. Ser. 946, 012010 (2018).
  57. J.M. Liu, Opt. Lett. 7, 196 (1982).
  58. S. I. Kudryashov, A.A. Samokhvalov, Ya.D. Golubev et al., Appl. Surf. Sci. 537, 147940 (2021).
  59. S. I. Ashitkov, N.A. Inogamov, P. S. Komarov et al., High Temp. 60, 192 (2022).
  60. S. Babar and J.H. Weaver, Appl.Opt. 54, 477 (2015).
  61. H. Reddy, U. Guler, A.V. Kildishev et al., Opt. Mater.Express 6, 2776 (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».