01 مقدمه مقاله
لایههای نازک نوری (پوششها یا گریتینگهای تک لایه/چند لایه) به طور گسترده در نمایشگرها، سیستمهای لیزری، دستگاههای پزشکی و هوافضا استفاده میشوند. تکنیکهای حالت{2}}قفلکردن و تقویت پالس صدای جیک (CPA) لیزرهای فوقسریع پیکوثانیه/فمتوثانیه را هدایت میکنند، اگرچه کاربردهای در حال گسترش مانند پردازش مواد به دلیل اوج قدرت بالا، همچنین باعث آسیبهای ناشی از لیزر به دلیل عدم تأثیر{4} فوتون حرارتی{5} مولتیفوآالکترون (الکترون، مولتی فوتون) میشوند. یونیزاسیون و غیره)، تبدیل شدن به یک عامل محدود کننده اصلی برای طول عمر اجزای نوری. توری های فیلم فلزی، با بازتاب گسترده خود، در سناریوهایی مانند فشرده سازی پالس لیزر CPA بسیار مهم هستند، اما تحقیقات موجود رابطه بین مدت زمان پالس (به ویژه جزئیات نزدیک به آستانه حداقل آسیب)، پالس های متعدد و آستانه آسیب، و همچنین به اندازه کافی خواص میدان الکتریکی و تغییرات زمانی را در نظر نگرفته است. بنابراین، این مطالعه، از طریق محاسبات و آزمایشهای نظری، مکانیسمهای آسیب شبکههای فیلم آلومینیومی (AMG) را تحت تابش لیزر 2 تا 15 ps پیکوثانیه بررسی میکند و آستانه آسیب را بهعنوان حداقل تابش لیزری که تغییرات مورفولوژیکی دائمی را القا میکند، تعریف میکند، در حالی که «اثر تجمعی» ناشی از تغییرات مکانیکی مکرر یا حرارتی در مواد، بهوسیلهی تغییرات مکرر یا درجه حرارت به مواد اشاره دارد. قرار گرفتن در معرض
02 نمای کلی متن کامل
این مطالعه بر روی AMG متمرکز است و به طور سیستماتیک مدت زمان پالس لیزرهای پیکوثانیه و اثرات آسیب تجمعی پالسهای چندگانه را تجزیه و تحلیل میکند: در مرحله اول، تجزیه و تحلیل موج جفت شده دقیق (RCWA) برای شبیهسازی توزیع میدان الکتریکی محلی، شناسایی گوشههای برآمدگی توری به عنوان آسیبپذیرترین مناطق استفاده میشود. سپس، مدل دو دمایی (TTM) دینامیک فوق سریع الکترونها و شبکهها را، همراه با پارامترهای آلومینیومی مانند گرمای نهان همجوشی، برای پیشبینی آستانههای آسیب تک پالسی و چند پالسی مشخص میکند. به طور تجربی، یک پلتفرم با{4}}سیستم تصویربرداری زمان واقعی برای اندازهگیری آستانه آسیب با استفاده از 2-لیزرهای پهن پالس قابل تنظیم ۱۵ ثانیه تنظیم شده است، در حالی که از نرخ تکرار ۱ kH10-10 برای 1kHz استفاده میکند. آزمایشها، مشاهده میشود که آستانه آسیب به تدریج با افزایش تعداد پالس کاهش مییابد (به 0.0346 J/cm² در 1000 پالس کاهش مییابد)، و مورفولوژی آسیب (ابلیشن، پاشیدن، و غیره) با پالسهای تجمعی بدتر میشود. هسته اصلی این مطالعه ایجاد یک رابطه کمی بین پارامترهای پالس (عرض پالس، تعداد) و آسیب AMG است که پشتیبانی نظری و تجربی برای توسعه پوششهای نوری مقاوم در برابر لیزر ارائه میکند.
03 تجزیه و تحلیل گرافیکی
شکل 1 به طور مستقیم فرآیند انتقال انرژی هسته برهمکنش بین لیزر پیکوثانیه و گریتینگ فیلم آلومینیومی (AMG) را نشان می دهد. همانطور که نشان داده شده است، هنگامی که لیزر فوق سریع برخورد می کند، الکترون های آزاد در فلز ابتدا به سرعت انرژی فوتون را جذب می کنند و برانگیخته می شوند و یک سیستم الکترونی با دمای بالا- تشکیل می دهند. متعاقباً، الکترونهای برانگیخته انرژی را گام به گام به شبکه از طریق فرآیندهای جفتشدن الکترون-و فونون-پراکندگی فونون-به شبکه انتقال میدهند و در نهایت باعث تغییراتی در دمای شبکه میشوند. این فرآیند تعادل حرارتی بین الکترونها و شبکه را میشکند و منبع انرژی بنیادی آسیبهای ناشی از لیزر است که چارچوب فیزیکی را برای ایجاد بعدی مدل دو دمایی (TTM) فراهم میکند.
شکل 2، بر اساس تجزیه و تحلیل موج جفت شده دقیق (RCWA)، نشان می دهد که در طول موج 1030 نانومتر، شدت میدان الکتریکی در گوشه های خط الراس گریتینگ بیشتر است و "نقاط داغ" را تشکیل می دهد که نقاط آغاز احتمالی آسیب را نشان می دهد. طیف های انتقال، بازتاب و جذب AMG نشان می دهد که افزایش دوره توری جذب انرژی در طول موج های مختلف را افزایش می دهد و خطر آسیب مواد را افزایش می دهد. تصاویر SEM آسیب آشکاری را در گوشههای برآمدگی AMG نشان میدهند که مطابق با مکانهای "نقطه داغ" میدان الکتریکی است که دقت شبیهسازیهای RCWA را تایید میکند.
شکل 3 تکامل دماهای الکترون و شبکه را در AMG تحت نوردهی لیزری پیکوثانیه با استفاده از یک مدل دو دمایی نشان میدهد: در عرض پالس 10 ps، زمانی که چگالی انرژی لیزر به 0.076 ژول بر سانتیمتر مربع میرسد، دمای شبکه نشاندهنده 3 نقطه ذوب آلومینیوم است (3 نقطه ذوب آلومینیوم 9). آستانه آسیب تک-پالسی برای 10 ثانیه. در یک چگالی انرژی ثابت، دمای اوج الکترون برای یک پالس کوتاه 2 ps بسیار بیشتر از یک پالس طولانی 15 ps است (زیرا پالسهای کوتاهتر انرژی را سریعتر ذخیره میکنند و انرژی الکترون را متمرکز میکنند). در عرض پالس 10 ps با نرخ تکرار 1 کیلوهرتز، آستانه آسیب پس از 10 پالس به دلیل تجمع حرارتی به 0.0598 J/cm² کاهش مییابد، که کمتر از آستانه تک-پالس است.
در شکل 4، تنظیم آزمایشی به کنترل دقیق پارامترهای لیزر و مشاهده{1}زمان واقعی آسیب از طریق یک ماژول کنترل انرژی متشکل از یک منبع لیزری با پهنای پالس قابل تنظیم 2-15 ثانیه، یک صفحه موج نیم-و یک قطبشکننده، و همچنین یک ماژول واقعی{5}سیستم تصویربرداری زمان تاریک دست مییابد. منحنی نشان می دهد که در محدوده عرض پالس 2-15 ps، آستانه آسیب AMG در 10 ps کمترین است (مقدار تجربی 0.0705 J/cm²، بسیار با مقدار شبیه سازی شده 0.076 J/cm² سازگار است). شکل فرعی (c) نشان می دهد که در عرض پالس 10 ps، با افزایش تعداد پالس ها از 1 به 1000، ناحیه آسیب AMG به تدریج گسترش می یابد و پاشش مواد به طور فزاینده ای شدید می شود، که به وضوح اثر تجمع چند پالس را منعکس می کند.
نتیجه گیری:
این مطالعه تئوری (RCWA+TTM) و آزمایشها را برای روشن کردن رفتار آسیب AMG تحت لیزرهای پیکوثانیه ترکیب میکند: RCWA گوشههای برآمدگی را بهعنوان مناطق آسیبپذیر شناسایی میکند، TTM به طور موثر دینامیک شبکه الکترون را برای پیشبینی آستانههای آسیب شبیهسازی میکند، و آزمایشها پایینترین اثرات آسیبرسانی را تأیید میکنند (10 کمترین اثرات همگامسازی همگامسازی). الکترون{3}}آرامش فونون، محدودیت انتشار حرارتی شبکه، و جذب گذرا). اثر تجمعی قابل توجهی تحت تابش چند پالس 1 کیلوهرتز، با کاهش آستانه آسیب و بدتر شدن آسیب مورفولوژیکی با افزایش تعداد پالس ها وجود دارد. اگرچه TTM مقادیر مطلق تجربی را به دلیل نادیده گرفتن نقص مواد، دینامیک تغییر فاز (مانند تبخیر)، و اثرات مکانیکی (مانند تنش حرارتی) به طور کامل بازتولید نمی کند، اما همچنان یک چارچوب تحلیلی یکپارچه برای تعامل بین لایه های فلزی ساختار یافته و لیزرهای فوق سریع ارائه می دهد. این یافتهها راهنمایی قابل توجهی برای بهبود دوام سیستمهای لیزری با قدرت بالا و اجزای نوری دقیق، طراحی حفاظت لیزر در هوافضا و پردازش لیزر صنعتی، و شواهد کلیدی برای بهینهسازی مواد و ساختار فیلمهای مقاوم در برابر لیزر هستند.
