Моделирование тепловых процессов взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с наночастицами для использования в лазерных нанотехнологиях

Abstract

Температурная зависимость показателей преломления металлов влияет на оптические свойства металлических наночастиц при их лазерном нагреве. Рассчитаны оптические факторы поглощения, рассеяния и ослабления излучения с длиной волны ~ 532 нм наночастицами золота с радиусами в диапазоне 5-100 нм для температур наночастиц в диапазоне 300-1336 К, включая стадию твердого состояния и плавление нанoчастиц. Установлена новая зависимость факторов эффективности поглощения, рассеяния и ослабления излучения с длиной волны 532 нм золотыми наночастицами от их температуры T= 273 K, 843 K, 1336 K, 1336 K и радиуса r0. Установлено влияние зависимости факторов эффективности поглощения, рассеяния и ослабления излучения золотыми наночастицами от их температуры на динамику нагрева наночастиц. Поглощение, рассеяние и ослабление излучения наночастицей значительно уменьшаются с увеличением ее температуры. Прикладной аспект полученных результатов состоит в том, что эта зависимость может быть использована в лазерных нанотехнологиях металлических наночастиц в процессе их лазерной обработки. Проведены теоретические исследования и оценки уменьшения размеров (фрагментации) металлических сферических НЧ под действием лазерных импульсов в жидкой среде. Установлено, что фототермический механизм играет решающую роль в лазерно-индуцированном уменьшении размера металлических НЧ. Учтено влияние изменения коэффициента поглощения НЧ в результате плавления НЧ и уменьшения радиуса НЧ за счет ее испарения на поглощение лазерной энергии. Проведен анализ различных энергий, характеризующих различные процессы при лазерном воздействии, для понимания соотношения между ними. На основе закона сохранения установлены и обсуждены аналитические зависимости пороговых плотностей потока от длительности импульсов наносекундных и пикосекундных лазерных импульсов и радиусов НЧ. Проведено сопоставление с экспериментальными данными для наносекундных и пикосекундных импульсов и удовлетворительное совпадение этих результатов подтверждает правильность разработанной модели.