01 Popieriaus įvadas
Optinės plonos plėvelės (vieno/daugiasluoksnės dangos{0}}ar grotelės) plačiai naudojamos ekranuose, lazerinėse sistemose, medicinos prietaisuose ir erdvėlaiviuose. Režimo-užrakinimo ir čirškiamo impulso stiprinimo (CPA) metodai, varantys pikosekundžių / femtosekundžių itin greitus lazerius, nors dėl didelės didžiausios galios plečiasi taikymas, pvz., medžiagų apdorojimas, taip pat sukelia lazerio-sukeliamus pažeidimus dėl ne-terminių fotonų-, elektronų sąveikos, avatonų ir čepsorptionijos ir kt. pagrindinis optinių komponentų naudojimo trukmę ribojantis veiksnys. Metalinės plėvelės grotelės, turinčios platų atspindį, yra labai svarbios tokiuose scenarijuose kaip CPA lazerio impulsų suspaudimas, tačiau esami tyrimai nebuvo nuodugniai ištyrę ryšį tarp impulso trukmės (ypač detalių, artimų minimaliam pažeidimo slenksčiui), daugybinių impulsų ir pažeidimo slenksčio, taip pat tinkamai neatsižvelgta į vietinio elektrinio lauko efektų ir optinių savybių laikinus pokyčius. Todėl šiame tyrime, atliekant teorinius skaičiavimus ir eksperimentus, tiriami aliuminio plėvelės grotelių (AMG) pažeidimo mechanizmai, veikiant 2-15 ps pikosekundės lazerio spinduliuotei, apibrėžiant pažeidimo slenkstį kaip minimalų lazerio srautą, sukeliantį nuolatinius morfologinius pokyčius, o „kaupiamasis efektas“ reiškia pasikartojančius mechaninius, laipsniškus mechaninių ar elektroninių savybių pokyčius.
02 Visa teksto apžvalga
Šiame tyrime pagrindinis dėmesys skiriamas AMG, sistemingai analizuojant pikosekundžių lazerių impulsų trukmę ir kelių impulsų kaupiamąjį žalos poveikį: Pirma, vietiniam elektrinio lauko pasiskirstymui imituoti naudojama griežta susietų -bangų analizė (RCWA), identifikuojant grotelių keteros kampus kaip labiausiai pažeidžiamas sritis; tada dviejų{1}}temperatūros modelis (TTM) apibūdina itin sparčią elektronų ir gardelių dinamiką kartu su aliuminio parametrais, tokiais kaip latentinė sintezės šiluma, kad būtų galima numatyti vieno -impulso ir kelių -impulsų pažeidimo slenksčius; Eksperimentiškai sukurta platforma su realaus laiko vaizdo gavimo sistema, skirta matuoti žalos slenksčius naudojant 2-15 ps derinamo impulso pločio lazerius, randant žemiausią AMG pažeidimo slenkstį esant 10 ps (eksperimentinė vertė 0,0705 J/cm²), naudojant 1 kHz 010 kartojimo impulsų švitinimo dažnį 1 kHz. pastebėta, kad didėjant impulsų skaičiui pažeidimo slenkstis laipsniškai mažėja (nukrenta iki 0,0346 J/cm² esant 1000 impulsų), o pažeidimo morfologija (abliacija, aptaškymas ir kt.) blogėja kaupiant impulsus. Tyrimo esmė – nustatyti kiekybinį ryšį tarp impulsų parametrų (impulso pločio, skaičiaus) ir AMG pažeidimo, suteikiant teorinę ir eksperimentinę paramą lazeriui atsparių optinių dangų kūrimui.
03 Grafinė analizė
1 paveiksle intuityviai parodytas pikosekundinio lazerio ir aliuminio plėvelės grotelių (AMG) sąveikos pagrindinis energijos perdavimo procesas. Kaip parodyta, kai krinta itin greitas lazeris, metalo laisvieji elektronai pirmiausia greitai sugeria fotonų energiją ir yra sužadinami, sudarydami aukštos -temperatūros elektronų sistemą; vėliau sužadinti elektronai žingsnis po žingsnio perduoda energiją į gardelę elektronų-fononų sujungimo ir fononų-fononų sklaidos procesais, galiausiai sukeldami gardelės temperatūros pokyčius. Šis procesas pažeidžia šiluminę pusiausvyrą tarp elektronų ir gardelės ir yra pagrindinis lazerio sukeltos žalos energijos šaltinis, sudarantis fizinį pagrindą tolesniam dviejų temperatūrų modelio (TTM) sukūrimui.
2 paveikslas, pagrįstas griežta susietų -bangų analize (RCWA), rodo, kad esant 1030 nm bangos ilgiui, elektrinio lauko intensyvumas yra didesnis grotelių kraigo kampuose, todėl susidaro „karštosios vietos“, kurios atskleidžia galimus pažeidimo pradžios taškus. AMG perdavimo, atspindžio ir sugerties spektrai rodo, kad ilginant gardelės periodą, padidėja energijos sugertis esant skirtingiems bangos ilgiams, todėl padidėja materialinės žalos rizika. SEM vaizdai rodo akivaizdžius pažeidimus AMG keteros kampuose, atitinkančius elektrinio lauko „karštųjų taškų“ vietas, patvirtinančius RCWA modeliavimo tikslumą.
3 paveiksle kiekybiškai pavaizduota elektronų ir gardelės temperatūrų raida AMG, veikiant pikosekundiniam lazerio poveikiui, naudojant dviejų temperatūrų modelį: esant 10 ps impulso pločiui, kai lazerio energijos tankis pasiekia 0,076 J/cm², gardelės temperatūra pakyla iki aliuminio lydymosi taško, o tai imituoja aliuminio lydymosi tašką (933 K). 10 ps slenkstis; esant fiksuotam energijos tankiui, 2 ps trumpo impulso didžiausia elektronų temperatūra yra daug aukštesnė nei 15 ps ilgio impulso (kadangi trumpesni impulsai greičiau kaupia energiją ir koncentruoja elektronų energiją); esant 10 ps impulso pločiui ir 1 kHz pasikartojimo dažniui, pažeidimo slenkstis po 10 impulsų sumažėja iki 0,0598 J/cm² dėl šilumos kaupimosi, o tai yra žemesnė už vieno -impulso slenkstį.
4 paveiksle eksperimentinė sąranka leidžia tiksliai valdyti lazerio parametrus ir stebėti žalą realiuoju laiku naudojant energijos valdymo modulį, sudarytą iš 2-15 ps derinamo impulso pločio lazerio šaltinio, pusės-bangos plokštės ir poliarizatoriaus, taip pat realaus-laikinio stebėjimo modulio su tamsaus lauko vaizdavimo sistema; kreivė rodo, kad 2–15 ps impulso pločio diapazone AMG pažeidimo slenkstis yra mažiausia esant 10 ps (eksperimentinė vertė 0,0705 J/cm², labai atitinka modeliuojamą 0,076 J/cm² vertę); c paveikslėlyje parodyta, kad esant 10 ps impulso pločiui, impulsų skaičiui didėjant nuo 1 iki 1000, AMG pažeidimo sritis palaipsniui plečiasi, o medžiagos taškymasis tampa vis sunkesnis, aiškiai atspindėdamas kelių impulsų kaupimosi efektą.
Išvada:
Šiame tyrime derinama teorija (RCWA+TTM) ir eksperimentai, siekiant išsiaiškinti AMG pažeidimo elgesį pikosekundiniais lazeriais: RCWA tiksliai nustato keteros kampus kaip pažeidžiamas sritis, TTM efektyviai imituoja elektronų-gardelės dinamiką, kad nuspėtų žalos slenksčius, o eksperimentai patvirtina, kad mažiausia žala yra 10 ps. elektronų-fonono atsipalaidavimo, gardelės šiluminės difuzijos apribojimo ir trumpalaikės sugerties poveikis). Švitinant 1 kHz dažniu-daug impulsų, pastebimas reikšmingas kumuliacinis poveikis, mažėjant pažeidimo slenksčiui ir didėjant impulsų skaičiui, didėjant morfologinei žalai. Nors TTM ne visiškai atkuria absoliučiąsias eksperimentines vertes, nes neatsižvelgiama į medžiagų defektus, fazių kaitos dinamiką (pvz., Garavimą) ir mechaninius efektus (pvz., Šiluminį įtempį), ji vis tiek suteikia vieningą analitinę struktūrą struktūrinių metalinių plėvelių ir ypač greitų lazerių sąveikai. Išvados yra svarbios gairės, kaip pagerinti didelės galios lazerinių sistemų ir tiksliųjų optinių komponentų ilgaamžiškumą, kuriant apsaugą lazeriu aviacijos ir pramoninio lazerinio apdorojimo srityse, ir pateikiami pagrindiniai įrodymai, kaip optimizuoti lazeriui atsparių plėvelių medžiagas ir struktūras.
