01 Úvod do papiera
Optické tenké filmy (jedno/viac{0}}vrstvové povlaky alebo mriežky) sa široko používajú v displejoch, laserových systémoch, zdravotníckych zariadeniach a leteckom priemysle. Techniky-uzamknutia režimu a cvrlikání pulzného zosilnenia (CPA) poháňajúce pikosekundové/femtosekundové ultrarýchle lasery, hoci rozširujúce sa aplikácie, ako je spracovanie materiálu vďaka vysokému špičkovému výkonu, spôsobujú aj poškodenie spôsobené laserom- v dôsledku interakcií elektrónov, ktoré nie sú -tepelné fotóny-), čím sa stávajú (multifotónová absorpcia, lavínový limitný optický faktor atď. komponentov. Mriežky z kovového filmu so svojou širokou odrazivosťou sú kľúčové v scenároch, ako je kompresia laserových impulzov CPA, ale existujúci výskum dôkladne nepreskúmal vzťah medzi trvaním impulzov (najmä detaily blízko minimálneho prahu poškodenia), viacnásobnými impulzmi a prahom poškodenia, ani primerane nezohľadnil časové zmeny lokálnych účinkov elektrického poľa a optických vlastností. Preto táto štúdia prostredníctvom teoretických výpočtov a experimentov skúma mechanizmy poškodenia hliníkových filmových mriežok (AMG) pri ožiarení pikosekundovým laserom 2-15 ps, pričom definuje prah poškodenia ako minimálny laserový tok, ktorý vyvoláva trvalé morfologické zmeny, zatiaľ čo „kumulatívny efekt“ sa týka postupných zmien tepelných, mechanických alebo elektronických vlastností materiálu spôsobených opakovanou expozíciou.
02 Prehľad v plnom znení
Táto štúdia sa zameriava na AMG, pričom systematicky analyzuje trvanie impulzu pikosekundových laserov a účinky kumulatívneho poškodenia viacerých impulzov: Po prvé, na simuláciu miestneho rozloženia elektrického poľa sa používa dôkladná analýza viazaných vĺn (RCWA), ktorá identifikuje rohy hrebeňa mriežky ako najzraniteľnejšie oblasti; potom dva -teplotné modely (TTM) charakterizujú ultrarýchlu dynamiku elektrónov a mriežok v kombinácii s parametrami hliníka, ako je latentné teplo fúzie, na predpovedanie prahov poškodenia jedným -impulzom a viacerými-impulzmi; experimentálne je platforma so zobrazovacím systémom v reálnom{4}}čase nastavená na meranie prahov poškodenia pomocou 2-15 ps laditeľných laserov so šírkou pulzu, pričom sa nájde najnižší prah poškodenia AMG pri 10 ps (experimentálna hodnota 0,0705 J/cm²), pričom sa používa 1 kHz pozorovaná frekvencia opakovania pre 10-1000 experimentálnych žiarení, čím sa prah poškodenia postupne znižuje s pulzom ožiarenia. počet pulzov (pokles na 0,0346 J/cm² pri 1000 pulzoch) a morfológia poškodenia (ablácia, rozstrekovanie atď.) sa s kumulatívnymi pulzmi zhoršuje. Jadrom štúdie je stanoviť kvantitatívny vzťah medzi parametrami impulzu (šírka impulzu, počet) a poškodením AMG, čo poskytuje teoretickú a experimentálnu podporu pre vývoj optických povlakov odolných voči laseru.
03 Grafická analýza
Obrázok 1 intuitívne ukazuje proces prenosu jadrovej energie interakcie medzi pikosekundovým laserom a hliníkovou filmovou mriežkou (AMG). Ako je znázornené, keď ultrarýchly laser dopadne, voľné elektróny v kove najskôr rýchlo absorbujú fotónovú energiu a sú excitované, čím sa vytvorí vysokoteplotný elektrónový systém; excitované elektróny následne prenášajú energiu do mriežky krok za krokom prostredníctvom procesov elektrónovej-fonónovej väzby a fonón{4}}fonónového rozptylu, čo v konečnom dôsledku spôsobuje zmeny teploty mriežky. Tento proces narúša tepelnú rovnováhu medzi elektrónmi a mriežkou a je základným zdrojom energie laserom -indukovaného poškodenia a poskytuje fyzikálny rámec pre následné vytvorenie dvoch- teplotných modelov (TTM).
Obrázok 2, založený na dôslednej analýze spriahnutých vĺn (RCWA), ukazuje, že pri vlnovej dĺžke 1030 nm je intenzita elektrického poľa vyššia v rohoch hrebeňa mriežky, čo vytvára „horúce miesta“, ktoré odhaľujú pravdepodobné iniciačné body poškodenia. Prenosové, reflexné a absorpčné spektrá AMG naznačujú, že zvýšenie periódy mriežky zvyšuje absorpciu energie pri rôznych vlnových dĺžkach, čím sa zvyšuje riziko poškodenia materiálu. Obrázky SEM ukazujú zjavné poškodenie v rohoch hrebeňa AMG, čo je v súlade s miestami „horúcich miest“ elektrického poľa, čo potvrdzuje presnosť simulácií RCWA.
Obrázok 3 kvantifikuje vývoj teplôt elektrónov a mriežok v AMG pri vystavení pikosekundovému laseru pomocou modelu s dvoma -teplotami: pri šírke impulzu 10 ps, keď hustota energie lasera dosiahne 0,076 J/cm², teplota mriežky stúpne na bod topenia hliníka (933 K), čo predstavuje simulovaný prah poškodenia jedného impulzu pre 10 impulzov- pri pevnej hustote energie je maximálna teplota elektrónov pre krátky impulz 2 ps oveľa vyššia ako teplota pre dlhý impulz 15 ps (keďže kratšie impulzy ukladajú energiu rýchlejšie a koncentrujú energiu elektrónov); pri šírke impulzu 10 ps s opakovacou frekvenciou 1 kHz prah poškodenia po 10 impulzoch klesne na 0,0598 J/cm² v dôsledku tepelnej akumulácie, čo je menej ako prah jedného-pulzu.
Na obrázku 4 experimentálna zostava dosahuje presné riadenie parametrov lasera a-pozorovanie poškodenia v reálnom čase prostredníctvom modulu riadenia energie, ktorý pozostáva z 2-15 ps laditeľného laserového zdroja s pulznou šírkou, pol{4}}vlny a polarizátora, ako aj modulu-monitorovania v reálnom čase so zobrazovacím systémom v tmavom poli; krivka ukazuje, že v rozsahu šírky impulzu 2-15 ps je prah poškodenia AMG najnižší pri 10 ps (experimentálna hodnota 0,0705 J/cm², čo je vysoko konzistentné so simulovanou hodnotou 0,076 J/cm²); podobrázok (c) ukazuje, že pri šírke impulzu 10 ps, keď sa počet impulzov zvyšuje z 1 na 1000, oblasť poškodenia AMG sa postupne rozširuje a rozstrekovanie materiálu je čoraz silnejšie, čo jasne odráža efekt akumulácie viacerých impulzov.
záver:
Táto štúdia kombinuje teóriu (RCWA+TTM) a experimenty na objasnenie poškodenia AMG pod pikosekundovými lasermi: RCWA presne identifikuje rohy hrebeňov ako zraniteľné oblasti, TTM efektívne simuluje dynamiku elektrónovej-mriežky na predpovedanie prahov poškodenia a experimenty potvrdzujú, že 10 ps je najnižší prah poškodenia (vyplývajúci zo synergických efektov elektrónového, elektrónového a prechodového{3} synergického efektu obmedzenia elektrónovej transfúzie absorpcia). Existuje významný kumulatívny účinok pod 1 kHz multi-pulzným ožiarením, s klesajúcim prahom poškodenia a zhoršujúcim sa morfologickým poškodením so zvyšujúcim sa počtom impulzov. Hoci TTM úplne nereprodukuje absolútne experimentálne hodnoty v dôsledku zanedbania materiálových defektov, dynamiky fázových zmien (ako je odparovanie) a mechanických účinkov (ako je tepelné napätie), stále poskytuje jednotný analytický rámec pre interakciu medzi štruktúrovanými kovovými filmami a ultrarýchlymi lasermi. Zistenia sú významným návodom na zlepšenie odolnosti vysokovýkonných laserových systémov a presných optických komponentov, navrhovanie laserovej ochrany v leteckom a priemyselnom laserovom spracovaní a poskytujú kľúčové dôkazy na optimalizáciu materiálov a štruktúr laserom{10}}odolných filmov.
