Kopīga pētnieku grupa, kuru vadīja profesors Džans Peilei no Šanhajas Inženierzinātņu universitātes, Lankasteras universitātes un Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd., publicēja pētījumu "Elektromagnētiskā{2}}hidrodinamiskā savienošana un morfoloģijas atgriezeniskā saite LIPSS veidošanā un evolūcijā uz metāliem zem femtosekundes lāzera apstarošanas starptautiskā žurnālā" Modelēšana. Komanda izveidoja multifizikas modeli, kas savienoja elektromagnētisko teoriju, pārejošo termofiziku un hidrodinamiku, un izmantoja impulsu-ar-impulsu iteratīvo stratēģiju, lai pētītu lāzera -inducēto periodisko virsmas struktūru (LIPSS) evolūcijas procesu uz titāna sakausējuma virsmām. Apvienojot eksperimentālo verifikāciju un skaitlisko simulāciju, komanda atklāja nanostruktūru veidošanās un evolūcijas fizisko mehānismu Marangoni plūsmas un atsitiena spiediena sinerģiskajā efektā saskaņā ar morfoloģijas atgriezeniskās saites mehānismu.
01
Ievads
Lāzera -inducētas periodiskas virsmas struktūras (LIPSS) ir fiziska parādība, kas var radīt periodiskas struktūras uz dažādu materiālu (metālu, pusvadītāju utt.) virsmām un ir plaši pētīta. LIPSS parasti iedala divos veidos: LIPSS ar periodu tuvu lāzera viļņa garumam (LSFL) un LIPSS ar periodu, kas ir daudz mazāks par lāzera viļņa garumu (HSFL). Klasiskajai LSFL veidošanās mehānisms ir plaši pieņemts kā traucējumu rezultāts starp krītošo lāzeru un virsmas plazmona polaritoniem (SPP), kas ierosināti uz materiāla virsmas (elektromagnētiskā teorija). Lai gan elektromagnētiskā teorija izskaidro LSFL periodu un virzienu, tā apraksta tikai statiskās sākotnējās enerģijas nogulsnēšanos un nepaskaidro materiāla dinamisko attīstību lāzera -inducētā izkausētā stāvoklī. Vielas migrācijas process izkausētā stāvoklī pārveido virsmas morfoloģiju periodiskā virsotņu un ieplaku kombinācijā.
Femtosekundes lāzera apstrādei ir unikālas priekšrocības mikro- un nano-ražošanas jomā, pateicoties augstajai apstrādes precizitātei un mazajai karstuma{2}}ietekmes zonai. Tā īpaši īsais impulsa platums koncentrē lāzera enerģiju uz materiāla virsmas ārkārtīgi īsā laikā, radot ne-termisku līdzsvara fāzes pāreju. Elektronu siltumvadītspēja un elektronu{6}}fononu savienojuma stiprums dominē elektromagnētiskās enerģijas pārvadē un relaksācijā, kas nogulsnējas materiālā ultraātru procesu laikā. Šie faktori ir galvenie iemesli LIPSS morfoloģijas atšķirībām, kas novērotas dažādos materiālos. Tomēr LIPSS veidošanās ir kumulatīvs vairāku-impulsu process, kurā katra impulsa radītā virsmas morfoloģija darbojas kā sākotnējais robežnosacījums nākamajam impulsam. Turklāt LIPSS regularitāte ir ļoti atkarīga no materiāla īpašībām. Iepriekšējās skaitliskās simulācijās reti tika ņemta vērā iepriekšējo impulsu radītās virsmas morfoloģijas ietekme uz nākamajiem impulsiem vairāku{12}}impulsu, daudz{13}fizikas vidēs. Izmaiņas materiāla virsmas morfoloģijā daudzu{15}impulsu apstākļos izraisa temperatūras lauka neviendabīgumu, kas savukārt ietekmē temperatūras gradientu izraisīto izkausētā šķidruma pārdali. Tāpēc ir nepieciešama kvantitatīvā analīze un diskusija par LIPSS evolūcijas procesu no impulsa{17}}pēc-pulsa perspektīvas.
Lāzera un elektronu staru apstrāde
02
Simulācijas metodes
Lai izpētītu LIPSS kumulatīvo attīstību ar vairāku{0}impulsu femtosekundes lāzera apstarošanu un ar to saistīto pozitīvās atgriezeniskās saites mehānismu, simulācijas darbplūsma sadala viena impulsa lāzera vielas mijiedarbību trīs savienotos posmos: elektromagnētiskā lauka aprēķināšana, termodinamiskā evolūcija un šķidruma dinamika, kas pēc tam tiek atkārtotas iteratīvajā simulācijā. Šajā pētījumā mēs koncentrējamies uz evolūcijas procesu, sākot no deterministiskas virsmas. Simulācija sākas ar ideālu, gludu plakni, kur lāzera parametru un materiāla reakcijas radītās ablācijas bedres tiek uzskatītas par "efektīvo raupjumu" turpmākajai elektromagnētiskajai savienošanai. Šajā modelī šo efektīvo raupjumu attēlo simulēta virsmas ablācija, metode, kas novērš nenoteiktības, kas saistītas ar nejaušu sākotnējo virsmas raupjumu, ļaujot mums izpētīt, kā LIPSS veidojas un izplatās ablācijas malās un virsmā.
03
Virsmas morfoloģijas atsauksmes
Izmantojot vairāku-impulsu femtosekundes lāzera apstarošanu, LIPSS veidošanās nav vienkārša viena fiziska lauka superpozīcija, bet gan dinamisks evolūcijas process, kurā iepriekšējo impulsu virsmas morfoloģiskā ietekme mijiedarbojas ar nākamo impulsu ietekmi. 2. attēlā parādīta materiāla virsmas morfoloģijas attīstība un atbilstošais elektriskā lauka telpiskais sadalījums vairāku impulsu ietekmē. Sākotnējam impulsam (N=1) elektriskā lauka sadalījums uz gludās materiāla virsmas ir vienmērīgs sāniski, galvenokārt uzrāda stāvošu viļņu modeli, ko veido krītošas un atstarotās gaismas traucējumi. Palielinoties impulsu skaitam (N=20, N=30), sākotnēji gludā virsma pārvēršas seklās ablācijas bedrēs. Ne-plaknes saskarne pārtrauc plaknes simetriju un nodrošina izkliedētu plaknes viļņu vektora komponentu, kas noved pie vājas SPP ierosmes metāla{11}}gaisa saskarnē. Tā kā impulsu skaits vēl vairāk palielinās (N=40, N=50), parādītās periodiskās rievas darbojas kā efektīvāki difrakcijas režģi, kā rezultātā SPP savienojums ir spēcīgāks. Kā parādīts palielinātajā skatā pie N=50, traucējumi starp SPP un tai sekojošo krītošo gaismu rada telpiskus lokālus elektromagnētiskos punktus rievās, kur elektriskā lauka intensitāte ir ievērojami augstāka par krītošā lauka intensitāti.
3. attēls ilustrē materiāla virsmas morfoloģijas attīstību un atbilstošo maksimālo režģa temperatūras sadalījumu pie dažāda impulsu skaita (N=1-50). Sākotnējā stadijā (N=1-10) uz līdzenas virsmas veidojas ablācijas bedres. Šajā laikā virsmas temperatūra ir vienmērīgi sadalīta sāniski, un atbilstošajam temperatūras sadalījumam ir zems un plašs maksimums, kas atspoguļo lāzera enerģijas Gausa sadalījumu. Palielinoties impulsu skaitam (N=20-50), pakāpeniski parādās augsts-kontrasts periodisks temperatūras sadalījums, kas atbilst periodisku virsmas struktūru rašanos. Augstākā režģa temperatūra ir koncentrēta šo periodisko struktūru ielejās, savukārt virsotnēs temperatūra saglabājas salīdzinoši zema. Temperatūras sadalījuma diagramma parāda, ka, palielinoties impulsu skaitam, šīs temperatūras modulācijas amplitūda kļūst izteiktāka, un maksimālā temperatūra pakāpeniski palielinās. Apvienojot to ar elektriskā lauka sadalījuma attīstību, kas parādīta 2. attēlā, režģa temperatūras sadalījumu vairākos impulsos var izskaidrot ar elektromagnētiskās termiskās atgriezeniskās saites mehānismu. Elektromagnētiskie karstie punkti, kas atrodas ielejās, veido telpiski nevienmērīgus siltuma avotus, galu galā ģenerējot periodisku režģa temperatūras lauku, kas atbilst virsmas morfoloģijai.
04
Šķidruma plūsma kušanas stadijā
Femtosekundes lāzera impulsa enerģija tiek pārnesta uz režģi, izmantojot elektronu{0}}fonona savienojumu. Kad režģa temperatūra sasniedz kušanas temperatūru, uz materiāla virsmas veidojas pārejošs izkusis slānis. Turpmāko LIPSS attīstību pikosekundes laika skalā kontrolē ne tikai statiskā ablācija, bet arī hidrodinamiskais transports šajā izkausētajā slānī. Šajā modelī periodiskumu iepriekš nosaka elektromagnētiskās enerģijas nogulsnēšanās, savukārt Marangoni spriegums un atsitiena spiediens galvenokārt veicina izkausētā materiāla pārdali un noņemšanu. 4., 5. un 6. attēlā ir parādītas šķidruma plūsmas tendences vairāku -impulsu procesa (N=20-40) kušanas posmā, periodiskai struktūrai attīstoties no sekla uz dziļu. Šajā posmā režģa temperatūra ir pārsniegusi kušanas temperatūru, bet vēl nav sasniegusi iztvaikošanas temperatūru. Šajos trīs attēlos a1 un a2 apzīmē periodiskās struktūras virsotnes, bet a3 un a4 apzīmē siles. Kā redzams 4. attēlā, periodiskās struktūras veidošanās sākumposmā (N=20) uz virsmas ir izveidojies periodisks temperatūras lauks, un sāk parādīties viļņota struktūra. Ielejas reģionos ar visaugstāko temperatūru (. 4(c) att.), ko nosaka virsmas spraiguma gradients, Marangoni efekts liek izkausētajam virsmas šķidrumam lielā ātrumā plūst no ielejas centra uz blakus esošajām virsotnēm. Un otrādi, virsotnes apgabalos ar viszemāko temperatūru (att.. 4(b)) šķidrums no blakus esošajām ielejām saplūst un uzkrājas uz augšu. Salīdzinot šos reģionus, atklājas liela-ātruma novirzošā plūsma ietekās un zema{25}}ātruma saplūstoša plūsma kalnu virsotnēs. Kā parādīts . 4(b) un (c) att. plūsmas laukos, virsmas šķidruma plūsma uz virsotnēm izraisa atpakaļplūsmu dziļāk izkusušajā baseinā, atgriežoties no zem virsotnes uz ieleju. Šī ārējās virsmas plūsmas un iekšējās apakšējās plūsmas kombinācija{29}sakārtojas tipiskos Marangoni virpuļos katrā periodiskās struktūras virsotnē un iedobē. Salīdzinot attēlus, no . 4., 5. un 6. att. var redzēt, ka, ielejām padziļinoties, virsmas šķidrums tajās pakāpeniski tiek ierobežots (. 4(c), 5. att. un 6. att.). Dziļākas ielejas atbilst spēcīgākiem vietējiem elektriskajiem laukiem, tādējādi nomācot sānu termisko difūziju no ielejas uz blakus esošajām virsotnēm. Tā rezultātā ielejās tiek saglabāts stāvāks temperatūras gradients. Tāpēc, tā kā spēki, kas virza šķidruma kustību, ir atkarīgi no temperatūras, šie spēki arvien vairāk tiek ierobežoti ielejās. No impulsu skaita palielināšanas viedokļa tas nozīmē, ka nākamo impulsu enerģija tiek izmantota esošo rievu padziļināšanai, nevis jau izveidojušos virsotņu likvidēšanai vai jaunu struktūru veidošanai. Līdz ar to augstumu starpība starp virsotnēm un ielejām nepārtraukti palielinās, izraisot pakāpenisku periodiskas struktūras padziļināšanu.
05
Simulācijas pārbaude
Lai ilustrētu periodisko virsmas struktūru veidošanās procesu, ko virza elektromagnētisko efektu un šķidruma plūsmas sinerģiskais efekts daudzimpulsu apstarošanas laikā, lineārās skenēšanas eksperimentā novērotā virsmas morfoloģijas evolūcija tika salīdzināta ar iteratīvā multifizikas modeļa rezultātiem, kā parādīts 7. attēlā. ablācija-atkārtota nogulsnēšanās un izkausēta šķidruma transportēšana. Simulācijā mēs izmantojām fiziski ekvivalentu LIPSS evolūcijas sākumpunktu, proti, lāzera -inducētās ablācijas bedres. Gan nejaušas nanodaļiņas, gan ablācijas bedres var kalpot kā izkliedes robežas nākamajiem impulsiem, tādējādi aizraujoši SPP. Turpmākie impulsi izveido periodisku temperatūras lauku uz šīs ne Pēc tam Marangoni spēks un atsitiena spiediens sāk virzīt izkausētā šķidruma pārdali, tādējādi veicinot LIPSS veidošanos.
Lai labāk apstiprinātu simulācijas rezultātus, LIPSS viena{0}}punkta femtosekundes lāzera apgaismojumā tika salīdzināts ar skaitliskās simulācijas rezultātiem. Kā parādīts 8. attēlā, abiem ir augsta telpiskā periodiskuma konsekvence. Lai kvantitatīvi noteiktu šo periodu, SEM attēla lokālās pelēktoņu kontūras tika iegūtas virzienā, kas ir perpendikulārs LIPSS, iegūstot vidējo periodu aptuveni 980 nm eksperimentālajai struktūrai. 8. attēlā (b) ir parādīta simulētā šķērsgriezuma{7}}kontūra tajā pašā telpiskajā mērogā. Kartējot simulēto virsmas kontūru uz SEM attēla vienādās koordinātēs un mērogā, tika novērots, ka simulēto virsotņu un ieleju telpiskās pozīcijas cieši atbilst spilgtajām un tumšajām svītrām SEM attēlā. Simulētais periods ir aptuveni 960 nm, kas lieliski saskan ar eksperimentālajiem rezultātiem, kas izmērīti, izmantojot kontūru metodi.
06
Secinājums
Šajā pētījumā tika izveidots multifizikas modelis, kura pamatā ir elektromagnētiskā teorija, šķidruma dinamikas teorija un materiālu termofizikālās īpašības, izmantojot skaitlisku simulāciju. Tajā no sākuma līdz beigām tika izskaidrota periodisku struktūru veidošanās uz metāla virsmām, ko izraisa elektromagnētisko efektu sinerģiskais efekts un šķidruma plūsmas nestabilitāte daudzu{1}}impulsu femtosekundes lāzera apstrādē. Izmantojot secīgas simulācijas impulsu iterācijas uz materiāla virsmas un simulācijas rezultātu salīdzinošu analīzi ar eksperimentālajiem rezultātiem, mēs secinām, ka LIPSS veidošanās ir elektromagnētiskās un šķidruma dinamikas sinerģiskās iedarbības rezultāts.
Mijiedarbība starp krītošo femtosekundes lāzeru un materiāla virsmu virsmas raupjuma klātbūtnē ierosina SPP, kas traucē krītošo gaismu. Šis process rada telpiski periodisku un nevienmērīgu enerģijas nogulsnēšanos uz materiāla virsmas. Mēs apstiprinājām, ka šis nepieciešamais virsmas raupjums var būt paša lāzera izraisītas ablācijas bedres, kas var kalpot kā robežnosacījumi aizraujošiem SPP. Iepriekšējo impulsu veidotā virsmas morfoloģija darbojas kā difrakcijas režģis nākamajiem impulsiem, uzlabojot SPP savienojuma efektivitāti. Kad materiāls ir absorbējis šo periodisko enerģiju, tas ātri pārvēršas atbilstošā režģa temperatūras gradienta laukā, veidojot pārejošu kausētu slāni uz virsmas. Šis ārkārtīgi plāns izkausētais slānis, ko ietekmē periodiskais temperatūras gradients, ir fiziski ļoti nestabils, tādējādi aktivizējot šķidruma transportēšanu, kas kontrolē materiāla migrāciju. Kušanas stadijā Marangoni spēks, ko virza virsmas spraigums, migrē izkausēto šķidrumu no augstas-temperatūras ieplakām uz zemas-temperatūras virsotnēm, veidojot ātrgaitas{9}}atšķirīgu plūsmu siles un zema{10}}ātruma saplūstošu plūsmu grēdās. Palielinoties impulsu skaitam, siles pakāpeniski padziļinās, un virsmas šķidrums pakāpeniski ierobežojas. Iztvaikošanas stadijā turpmāku režģa temperatūras paaugstināšanos pavada tālāks atsitiena spiediena pieaugums. Šajā brīdī atsitiena spiediens darbojas kā dominējošais mehānisms, kas virza šķidrumu, izmantojot spēcīgāku spēku, lai virzītu šķidrumu no siles virsmas uz leju uz apakšvirsmu, vienlaikus arī novirzot šķidrumu uz sāniem uz virsotnēm.
