Теоретичний та експериментальний аналiз нестабiльностi Релея — Тейлора та конвекцiї Марангонi в мiднiй фользi пiд дiєю лазерного випромiнювання
Анотація
У цьому дослiдженнi вивчаються фiзичнi явища, що виникають на поверхнi мiдної фольги пiд дiєю високоiнтенсивного iмпульсного випромiнювання Nd:YAG-лазера (λ = 1064nm, τ = 28ps), з особливим акцентом на утвореннi плазми, нестабiльностi Релея—Тейлора (РТ) та впливi конвекцiї Марангонi на морфологiю кратера. Температура плазми та електронна концентрацiя визначаються експериментальними методами за спектральними лiнiями випромiнювання. Цi параметри дозволяють оцiнити градiєнт тиску в плазмi, температурнi варiацiї та змiни поверхневого натягу. Нестабiльнiсть РТ моделюється на основi контрастiв густини, що виникають за сильних перепадiв тиску, тодi як конвекцiя Марангонi описується як механiзм формування поверхневих потокiв, зумовлених градiєнтами температури. У роботi аналiзується взаємодiя мiж цими двома видами нестабiльностей, їхня роль у перерозподiлi матерiалу та вплив на кiнцеву геометричну форму кратера, утвореного лазером, що пiдкрiплюється теоретичними розрахунками та спектроскопiчними вимiрюваннями. Результати сприяють глибшому розумiнню
складних термогiдродинамiчних процесiв, що супроводжують лазерну абляцiю.
Завантаження
Посилання
Japakov A. I. et al. ”The impact of laser radiation frequency on the formation of the main characteristics of ions in a mono-element laser plasma,” EPJ Web of Conferences, EDP Sciences, 318, 05002 (2025). https://doi.org/10.1051/epjconf/202531805002
Japakov A. I. et al. ”Spectra of multiply charged ions in laser plasma formed from gas-containing targets,”East European Journal of Physics, (3), 490-494 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-55
Ruziev Z. et al. ”Surface ionization of diamond by femtosecond laser pulses: A comparative study of analytical models,” Results in Optics, 23, 100942 (2026). https://doi.org/10.1016/j.rio.2025.100942
Lian B. et al. ”Research and experimentation on acoustic monitoring technology for laser drilling penetration,” Micromachines, 16(4), 475 (2025). https://doi.org/10.3390/mi16040475
Hayasaki Y., and Miura T. ”Femtosecond laser drilling controlled with laser-generated ultrasound pressure,” Applied Physics B, 130(12), 220 (2024). https://doi.org/10.1007/s00340-024-08355-1
Sheng L. et al. ”Investigation on cutting of CFRP composite by nanosecond short-pulsed laser with rotary drilling method,” Science and Engineering of Composite Materials, 32(1), 20240047 (2025). https://doi.org/10.1515/secm-2024-0047
Boltaev G. S. et al. ”Impact of plasma conditions on the shape of femtosecond laser-induced surface structures of Ti and Ni,” Applied Physics A, 128(6), 488 (2022). https://doi.org/10.1007/s00339-022-05614-w
Eshchanov B. X. et al. ”Ultrafast laser nanostructured silicon coated with silver nanoparticles for efficient SERS detection of R6G,” Applied Physics A, 132(2), 111 (2026). https://doi.org/10.1007/s00339-025-09179-2
Vapaev M. E. et al. ”Laser fluence-dependent LIPSS formed on the surface of niobium alloys,” EPJ Web of Conferences. – EDP Sciences, 318, 05005 (2025). https://doi.org/10.1051/epjconf/202531805005
S. Singh, B. Vidhani, S. Yogi, A. Tyagi, S. Kumar, and S.K. Meena, Plasma waves and Rayleigh–Taylor instability: Theory and application, Plasma Science-Recent Advances, New Perspectives and Applications, (IntechOpen, 2023). https://doi.org/10.5772/intechopen.109965
Hu K. et al., ”Thermal-fluid modeling and physics-informed machine learning for predicting molten pool depth in single-layer multi-track fiber laser cladding,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 135(7), 3591-3613 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14706-1
Zheng G. et al. ”A linearized hydrodynamic code for laser ablation and its application to laser pulse shaping for direct-drive fusion,” Physics of Plasmas, 31(10), 102705 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0225382
Dai D. et al. ”Role of angular velocity on Marangoni convection shifting, heat accumulation, and microstructure evolution using laser directed energy deposition,” Journal of Applied Physics, 135, 053105 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0187045
Bryukhovetsky V. V. et al. ”Formation mechanism of craters on the surface of AA6111 aluminum alloy irradiated by quasirelativistic high-current electron beam,” Vacuum, 215, 112263 (2023). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112263
Zhong H. et al. ”Dynamic mechanism of crater formation induced by inclusion during intense pulsed ion beam irradiation,” Vacuum, 179, 109541 (2020). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109541
Tojinazarov F. et al. ”Picosecond laser drilling grids in aluminium foil at 532 and 355 nm wavelengths,” Engineering Research Express, 6(1), 015050 (2024). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad1ea3
Akhmedov M. et al. ”Picosecond-pulsed laser ablation of aluminum foils: crater morphology and plasma parameters,” Engineering Research Express, 7(3), 035362 (2025). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ae0092
Akhmedov M. et al. ”Effects of picosecond pulsed laser radiation on crater formation on copper foil surfaces,” Engineering Research Express, 8(3), 035401 (2026). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ae3b9d
Akhmedov M. et al. ”Self-regulated crater formation governed by electron density in picosecond Nd: YAG laser-induced molybdenum plasma,” Journal of Russian Laser Research, 1-15 (2026). https://doi.org/10.1007/s10946-026-10318-0
Sadullayev J. O. et al. ”Modeling of Thermal Effects in a Polyimide Target Under Pulsed Laser Irradiation,” East European Journal of Physics, (1), 274-280 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-31
Sadullayev J. O. et al. ”Finite Element Modeling of Scanning Speed Effects in Femtosecond Laser-Induced Graphene Fabrication,” East European Journal of Physics, (2), 352-360 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-37
Ajith A. et al. ”Comprehensive analysis of copper plasma: A laser-induced breakdown spectroscopic approach,” Photonics, MDPI, 10(2), 199 (2023). https://doi.org/10.3390/photonics10020199
Isaev M. S. et al. ”The Surface Layer Morphology of Si¡ Cr¿ Samples,” East European Journal of Physics, (4), 297-300 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-32
Isaev M. S. et al. ”Study of the Inhomogeneities of Overcompensed Silicon Samples Doped with Manganese,” East European
Journal of Physics, (2), 341-344 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-40
Mamadalimov A. T. et al. ”Study of Silicide Formation in Large Diameter Monocrystalline Silicon,” East European Journal of Physics, (2), 366-371 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-45
Mustafoqulov A. et al. ”Angular displacement measurement and control sensors of agricultural robot-manipulators,” BIO Web of Conferences. – EDP Sciences, 105, 03003 (2024). https://doi.org/10.1051/bioconf/202410503003
Boboev A. Y. et al. ”SRIM simulation of irradiation damage by protons in ZnO: S compound,” Journal of Ovonic Research, 216, 781–788 (2025). https://doi.org/10.15251/JOR.2025.216.781
Boboev, A. Y., Karimberdiev, U., Kadirov, S., Yunusaliyev, N. Y. ”Growth of Solid Solutions (Ge2)(GaAs1-δBiδ)x(ZnSe)y on Silicon Substrates by Liquid Phase Epitaxy,” Chalcogenide Letters, 22(11), 951-957 (2025). https://doi.org/10.15251/CL.2025.2211.951
Mamadalimov A. T. et al. ”Comparative Analysis of the Properties of Manganese Silicide,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 17(5), 05011 (2025). https://doi.org/10.21272/jnep.17(5).05011
Qodirov S. R. U., and Davletov I. Y. ”Improving thinking and imagining skills in school students by training the physics using simulations,” AIP Conference Proceedings, 3268(1), 060006 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0257234
Davletov I. et al. ”Soft start of induction electric motors using rezistor and denistor devices,” E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 461, 01066 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202346101066
Davletov I. Y. et al. ”Increasing the Efficiency of Asynchronous Motors by Improving the Quality of the Electric Current,” in: 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), (IEEE, 2023). pp. 1820-1824. https://doi.org/10.1109/APEIE59731.2023.10347842
Kramida A., Ralchenko Y., and Reader J. ”National Institute of Standards and Technology (NIST),” Atomic Spectra Database. 2022. https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines form.html
Griem H. R. ”Plasma spectroscopy in inertial confinement fusion and soft x-ray laser research,” Physics of Fluids B: Plasma Physics, 4(7), 2346-2361 (1992). https://doi.org/10.1063/1.860205
Sahal-Br´echot S., Dimitrijevi´c M. S., and Ben Nessib N. ”Widths and shifts of isolated lines of neutral and ionized atoms perturbed by collisions with electrons and ions: An outline of the semiclassical perturbation (SCP) method and of the approximations used for the calculations,” Atoms, 2(2), 225-252 (2014). https://doi.org/10.3390/atoms2020225
Harilal S. S. et al. ”Optical diagnostics of laser-produced plasmas,” Reviews of modern Physics, 94(3), 035002 (2022). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.94.035002
Fikry M., Tawfik W., and Omar M. M. ”Investigation on the effects of laser parameters on the plasma profile of copper using picosecond laser induced plasma spectroscopy,” Optical and Quantum Electronics, 52(5), 249 (2020). https://doi.org/10.1007/s11082-020-02381-x
Zhang Z. et al. ”Rule of the pulse energy from ground-based lasers for the laser ablation propulsion in space,” Optics Express, 33(6), 13439-13454 (2025). https://doi.org/10.1364/OE.554720
Mohajan S., Beier N. F., and Hussein A. E. ”Investigating crater formation in nanosecond laser ablation of aluminum foils,” Journal of Applied Physics, 136(2), 023102 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0212660
Suchandra P., and Ranjan D. ”Dynamics of multilayer Rayleigh–Taylor instability at moderately high Atwood numbers,” Journal of Fluid Mechanics, 974, A35 (2023). https://doi.org/10.1017/jfm.2023.689
Zhou Y. ”Rayleigh–Taylor and Richtmyer–Meshkov instability induced flow, turbulence, and mixing. II,” Physics Reports, 723, 1-160 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.07.008
Xi C., and Xin T. ”Heat transfer to a particle exposed to a rarefied plasma with a great temperature gradient,” Journal of Thermal Science, 2(2), 135-142 (1993). https://doi.org/10.1007/BF02718269
SunW. et al. ”Numerical study of the effect of a magnetic field on Rayleigh-Taylor instability with different density disturbances,” Frontiers in Physics, 11, 1203081 (2023). https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1203081
Martins I. T., G´omez L. C., and Alvari˜no P. F. ”Parametric investigation of Rayleigh–Taylor instability under experimental conditions with the lattice Boltzmann method,” Physics of Fluids, 37(2), 024131 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0256018
Onoda K., and Nanzai B. ”Marangoni Convection Velocity in Nonlinear Hanging-Droplet Vibration Phenomena,” Processes, 12(3), 609 (2024). https://doi.org/10.3390/pr12030609
Lin F. et al. ”Marangoni convection-driven laser fountains on free surfaces of liquids,” Materials Today Physics, 21, 100558 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100558
Авторське право (c) 2026 М.М. Ахмедов, J.O. Садуллаєв, М.Є. Вапаєв, Н.П. Бабаязова, А.Р. Матназаров, I.Й. Давлетов, М. Джуманiязова, Р.О. Озодов, Бахтiйор Iсматов, Ф.Дж. Матчанова
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
