Гибридные континуально-атомистические модели взаимодействия лазерного излучения с веществом и их применение для решения прикладных задач

В рамках предлагаемого проекта будет реализован согласованный континуально-атомистический подход для моделирования взаимодействия лазерного излучения с конденсированными мишенями. Атомистический и континуальный методы по отдельности имеют свои неоспоримые преимущества и недостатки. Атомистический подход (МД) опирается на потенциал межчастичного взаимодействия, и при его грамотном выборе позволяет воспроизводить статические свойства веществ, а также описывать кинетические процессы при сверхбыстром нагреве и последующем расширении. Данный подход, тем не менее, имеет существенное ограничение на размер моделируемой системы, который обычно ограничивается одним кубическим микроном, что соответствует примерно 10 миллиардам частиц. Как результат, используя МД-подход, можно воспроизводить отдельные важные процессы, возникающие в нагретом неравновесном состоянии вещества, но невозможно проследить динамику лазерного воздействия и последующего отклика на пространственных и временных масштабах, соответствующих экспериментальным наблюдениям. Еще одно серьезное ограничение метода молекулярной динамики состоит в сложности учета квантовых свойств электронов, которые играют определяющую роль в поглощении и переносе излучения. В этом случае более уместным видится использование континуального подхода (ГД), дополненного широкодиапазонными многофазными уравнениями состояния, моделями транспортных и оптических свойств, а также моделями, описывающими кинетику нуклеации и роста зародышей конкурирующей фазы внутри метастабильного фазового состояния, действие поверхностных сил на фазовых границах и свободных поверхностях, процессы испарения, кристаллизации и пр. Такие дополнительные модели могут быть построены с привлечением данных молекулярно-динамического моделирования. При умелом выборе параметров таких моделей можно ожидать, что континуальное моделирование будет количественно и качественно воспроизводить основные процессы, ответственные за эволюцию вещества после лазерного воздействия. В этом случае континуальный подход даст значительный выигрыш времени моделирования и может использоваться для предварительной оценки динамики лазерного воздействия на вещество. При этом последующее уточнение данных можно проводить с привлечением молекулярно- динамического моделирования.