Modellierungskonzepte zur laser-induzierten Ablation für den MICROLAS-Antrieb

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1 Modellierungskonzepte zur laser-induzierten Ablation für den MICROLAS-Antrieb Stefan Scharring, Johannes M.F. Peter, Daniel J. Förster, Hans-Albert Eckel Institut für Technische Physik, DLR Stuttgart Workshop Mikroantriebe

2 Modellierungskonzepte zur laser-induzierten Ablation für den MICROLAS-Antrieb Folie 2 Übersicht - Zielsetzung - Grundlagen - VLL online: Hydrodynamisches Modell - PICLas-Code: Direkte Monte-Carlo-Simulationen (DSMC) - IMD-Code: Molekulardynamik (MD) - Zusammenfassung

3 - minimale Kontamination - mehrjährige Betriebsdauer Modelle Parameter, Messgrößen, Anforderungen Laserpuls: - λ, τ, I t, r - Einfallswinkel ϑ Raytracing Zielsetzung > Grundlagen > Hydrodynamisches Modell > Molekulardynamik > DSMC > Zusammenfassung Ablationsjet: - Jet-Divergenz - Z, T e, T i, n e - Geschwindigkeitsverteilung, I sp - Manipulierbarkeit (magnetische Linse) Verdünnte Plasmaströmungen Kein Gleichgewicht Rekombination 3D-Laser-Plasma-WW - geringer Treibstoffverbrauch Target: - Verschiedene Metalle - Ablationsschema, f rrr - Kraterprofil und Auswurf - Oberfläche (Folgepuls) 3D-Laser-Materie-WW Kurzzeitdynamik Schub F, F : - Axiale Impulskomponenten - Laterale Impulskomponenten Kurzzeitdynamik Folie 3 - präziser Schub 0,1 100 µn (1 mn)

4 Folie 4 Ablation bei kurzen Laserpulsen (ns-regime) - Expansion des Plasmajets während des Laserpulses - Entstehung einer Stoßwelle im Material c m I sp - Bildung von Explosionskratern (punktförmige Energiequelle)

5 Folie 5 Ablation bei ultrakurzen Laserpulsen (fs-regime) - Energieabsorption durch freie Elektronen (skin depth δ) - Wärmeleitung und diffusion in die nähere Umgebung (Schichtdicke l) - Wechselwirkung mit Gitter, 2-T-Modell: S = I t Tα exp( αα) - Temperatur im Gleichgewicht: Q z = k e T e / - Aufbrechen chemischer Bindungen, Ablation, Plasmajet

6 Folie 6 Virtual Laser Laboratory (VLL - Im Folgenden (Folien 7 18): Post-processing der VLL-Simulationsergebnisse

7 Folie 7 Phasendiagramme - Treibstrahl: g, g+l - Target: l, l+s, s

8 Folie 8 1D-Phasengrenze s/l vs. Ablationskrater x 1.2 µm x 1.7 µm z FWHM 0.5 µm z FWHM 0.8 µm

9 Folie 9 Differentielle Energiebilanz

10 Folie 10 Plasma-Abschirmung

11 Folie 11 Schubentstehung

12 Folie 12 Entstehung des Ablationsjets Massenflächendichte µ a des ablatierten Materials µ a t = ρ j x r,j x l,j j Impulsflächendichte p a des Ablationsjets µ a [pg/µm²] p a t = u j ρ j x r,j x l,j j Zeit t [ns] p a [nns/µm²] Zeit t [ns]

13 Folie 13 Bestimmung der Kenngrößen

14 Folie 14 Kenngrößen Laserpulsenergie E L [µj] Impulskoppelkoeffizient c m [N/MW] Spezifischer Impuls I sp [s] 80 mw-laser (TEEM Photonics) Energiedichte Φ [J/cm²]

15 Folie 15 Modellvergleich C.Phipps et al., Applying New Laser Interaction Models to the ORION Problem, AIP Conf. Proc. 1278: (2010)

16 Folie 16 Schubcharakteristik 80 mw-laser (TEEM Photonics) 35 W-Laser (Edgewave)

17 Folie 17 Parametervariation: Pulsdauer, Material

18 Folie 18 Parametervariation: Einfallswinkel, Polarisation

19 Folie 19 Molekulardynamik - Simulation des Ablationsprozesses auf atomarer Ebene in 3 Dimensionen - Punktteilchen mit definiertem Ort und Geschwindigkeit - Kräfte: - Wechselwirkung über EAM Potentiale V - Lösung der klassischen Newton schen Gleichungen

20 Folie 20 Programmpaket IMD - Bisher Einfach-/Mehrfach-Pulse im fs-bereich IMD nutzbar für ps-pulse am DLR? Vorhersagen für unterschiedliche Metalle? Raumfahrtrelevante Informationen aus Simulationen? - Input: - Output: Wechselwirkungen im Material Laserpuls: Räumliche und zeitliche Form x i und v i aller Atome I ss und C m durch Skripte Verteilung der Dichte, Energie, Temperatur Rechenzeit Potentiale ausschlaggebend für Qualität der Aussagen Implementierung von Plasma-Abschirmung durch Treibstrahl

21 Folie 21 Beispielrechnung erste Ergebnisse - Dichteplot bei t PPPP = 48 pp, Φ = 1 J/ccc

22 Folie 22 Beispielrechnung erste Ergebnisse - Parameter für MICROLAS: τ = 230 pp, Φ = 1 J/ccc

23 Folie 23 MD - Weiteres Vorgehen - Vergleich verschiedener Metalle (Al, Cu, Ag, Au) - Bessere Definition der Plume für I sp und C m - Räumlich aufgelöste Pulse im nm-bereich oder µm-bereich (HLRS)

24 Folie 24 MD - Weiteres Vorgehen - Vergleich verschiedener Metalle - Bessere Auswahl der Plume für Isp und Cm - Räumlich aufgelöste Pulse im nm-bereich oder µm-bereich (HLRS) - Schnittstelle für Treibstrahl - Entwicklung in PICLas

25 Folie 25 Modellierung des Treibstrahls - Problem: - Kein Kontinuum - Extreme Gradienten, hoch ionisiertes Plasma Navier-Stokes nicht möglich - Lösung: Partikelsimulation - Modell der Boltzmann-Gleichung (Geschwindigkeitsverteilung) - Makro-Partikel - Statistisches Verfahren

26 Folie 26 PICLas - Direct Simulation Monte Carlo: Schwerteilchen-Interaktion - Partikel-Stöße über Zufallszahlen - Particle In Cell: E- & B-Felder durch geladene Teilchen - Deposition der Ladungen auf Gitter - Berechnen der Felder auf Gitter - Interpolation der Feldgrößen auf die Partikel - Ergibt Δv der Partikel. - Makroskopische Größen aus Mittelung

27 Folie 27 > Modellierungskonzepte für Laser-ablative Mikroantriebe > Stefan Scharring Modellierungskonzepte > Particle-in-Cell (PIC) Interpolation Kraftwirkung A 1 A 2 A 3 A 4 Berechnung Felder auf Teilchen auf Gitterpunkten A 5 A 6 A 7 A 8 Integration der Bewegungsgleichungen A 9 A 10 A 11 A 12 Interpolation Ladungen, Stromdichten auf Gitter - anstelle der Teilchen auch Fluidelemente (Navier-Stokes) wählbar

28 Folie 28 PICLas IRS & DLR - IRS: Wiedereintritt, Ionentriebwerk, PPT, - Laser-induzierte Plasmen: - Dichter als bisherige Simulationen - Mehrfach ionisiert - Extreme Gradienten - Skalenproblem: μm-auflösung auf cm-rechengebiet - PICLas nicht speziell für laser-induzierte Plasmen entwickelt: - Keine Erfahrung - (Noch) keine speziellen Einströmbedingungen - Kein Modell für Cluster - Rekombination wird momentan implementiert - Validierung!

29 Folie 29 PICLas Ergebnisse - Feldlöser wird instabil - PIC-Teil sehr viel rechenintensiver - Hohe Dichte problematisch

30 Folie 30 PICLas DSMC-Ergebnisse - Räumliche Auflösung der Eingangsdaten wichtig spezialisiertes Modell für Einströmung nötig - Ergebnisse zeigen gute Ähnlichkeit mit anderen DSMC-Simulationen - Weitere Anpassungen nötig - Rekombination - Gitterwechsel *1 *2 *1) Zeifman, Garrison, Zhigilei; Combined molecular dynamics direct simulation Monte Carlo computational study of laser ablation plume evolution *2) Zeifman, Garrison, Zhigilei A Hybrid MD-DSMC Model of Picosecond Laser Ablation and Desorption

31 Folie 31 Zusammenfassung Laserpuls: - Optica - Raytracing (statisch) - Analytische Modelle zu c m und I sp Ablationsprozess (1D): - IMD-Code - Molekulardynamik - Thermisches / TTM-Modell - 3D-Tests / Skalierung nm µm Ablationsjet: - PICLas-Code - Direkte MC-Simulation mit Particle-in-Cell-Method - Initialer Treibstrahl statt Laser-Materie-WW - DSMC erste Ergebnisse - PIC weiterer Implementierungsbedarf 3D-Simulation noch offen Ablationsprozess (1D): - Virtual Laser Lab - Hydrodynamisches Modell - 2-Temperatur-Modell (kurze Laserpulse) - Online-Portal: