01 Вступ до паперу
Оптичні тонкі плівки (одно-/багато{0}}шарові покриття або решітки) широко використовуються в дисплеях, лазерних системах, медичних пристроях і аерокосмічній техніці. Методи-блокування режиму та підсилення чирпованих імпульсів (CPA), що керують пікосекундними/фемтосекундними надшвидкими лазерами, хоча й розширюють застосування, наприклад обробку матеріалів завдяки високій піковій потужності, також спричиняють-індуковане лазером пошкодження через не-теплові{5}}електронні взаємодії (багатофотонне поглинання, лавинна іонізація тощо), стає головним обмежуючим фактором для тривалості життя оптичних компонентів. Металеві плівкові решітки з їхньою широкою відбивною здатністю мають вирішальне значення в таких сценаріях, як стиснення лазерного імпульсу CPA, але існуючі дослідження не ретельно досліджували взаємозв’язок між тривалістю імпульсу (особливо деталями поблизу мінімального порогу пошкодження), кількома імпульсами та порогом пошкодження, а також не враховували належним чином часові зміни ефектів локального електричного поля та оптичних властивостей. Таким чином, це дослідження шляхом теоретичних розрахунків і експериментів досліджує механізми пошкодження алюмінієвої плівкової решітки (AMG) під дією пікосекундного лазерного опромінення 2-15 пс, визначаючи поріг пошкодження як мінімальний струм енергії лазера, який викликає постійні морфологічні зміни, тоді як «кумулятивний ефект» відноситься до поступових змін термічних, механічних або електронних властивостей матеріалу, спричинених повторним впливом.
02 Повний огляд тексту
Це дослідження зосереджено на AMG, систематично аналізуючи тривалість імпульсу пікосекундних лазерів і кумулятивний вплив кількох імпульсів: по-перше, строгий аналіз зв’язаних-хвиль (RCWA) використовується для моделювання локального розподілу електричного поля, визначаючи кути гребнів решітки як найбільш уразливі області; потім дво-температурна модель (TTM) характеризує надшвидку динаміку електронів і ґраток у поєднанні з параметрами алюмінію, такими як прихована теплота плавлення, для прогнозування порогових значень ушкодження від одного-і-імпульсу; експериментально платформа з-системою візуалізації в реальному часі налаштована для вимірювання порогів ушкодження за допомогою 2-15 пс регульованих широтно-імпульсних лазерів, виявлення найнижчого порогу ушкодження AMG при 10 пс (експериментальне значення 0,0705 Дж/см²), використовуючи частоту повторення 1 кГц для експериментів із опроміненням 10-1000 імпульсів, це Помічено, що поріг пошкодження прогресивно знижується зі збільшенням кількості імпульсів (падіння до 0,0346 Дж/см² при 1000 імпульсах), а морфологія пошкодження (абляція, розбризкування тощо) погіршується з кумулятивними імпульсами. Суть дослідження полягає у встановленні кількісного зв’язку між параметрами імпульсу (шириною імпульсу, кількістю) та пошкодженням AMG, що забезпечує теоретичну та експериментальну підтримку для розробки лазеростійких оптичних покриттів.
03 Графічний аналіз
На малюнку 1 інтуїтивно зрозуміло показаний основний процес передачі енергії взаємодії між пікосекундним лазером і гратами з алюмінієвої плівки (AMG). Як показано, коли надшвидкий лазер падає, вільні електрони в металі спочатку швидко поглинають енергію фотонів і збуджуються, утворюючи високо-температурну електронну систему; згодом збуджені електрони крок за кроком передають енергію ґратці через процеси електронно-фононного зв’язку та фонон-фононного розсіювання, що зрештою спричиняє зміни температури ґратки. Цей процес порушує теплову рівновагу між електронами та решіткою та є основним джерелом енергії лазерно-індукованого пошкодження, забезпечуючи фізичну основу для подальшого встановлення дво-температурної моделі (TTM).
Рисунок 2, заснований на ретельному аналізі пов’язаних-хвиль (RCWA), показує, що на довжині хвилі 1030 нм інтенсивність електричного поля вища в кутах гребенів, утворюючи «гарячі точки», які виявляють ймовірні початкові точки пошкодження. Спектри пропускання, відбиття та поглинання AMG вказують на те, що збільшення періоду решітки посилює поглинання енергії на різних довжинах хвиль, підвищуючи ризик пошкодження матеріалу. SEM-зображення показують очевидні пошкодження в кутах хребта AMG, що узгоджується з розташуванням «гарячих точок» електричного поля, що підтверджує точність моделювання RCWA.
На рисунку 3 кількісно визначено зміну температури електронів і решітки в АМГ під дією пікосекундного лазера з використанням дво-температурної моделі: за ширини імпульсу 10 пс, коли щільність енергії лазера досягає 0,076 Дж/см², температура решітки підвищується до точки плавлення алюмінію (933 К), що представляє змодельоване пошкодження одним-імпульсом поріг для 10 пс; при фіксованій щільності енергії пікова температура електронів для короткого імпульсу тривалістю 2 пс набагато вища, ніж для імпульсу довжиною 15 пс (оскільки коротші імпульси депонують енергію швидше та концентрують енергію електронів); при ширині імпульсу 10 пс із частотою повторення 1 кГц поріг ушкодження після 10 імпульсів падає до 0,0598 Дж/см² через накопичення тепла, що є нижчим за поріг одно-імпульсу.
На малюнку 4 експериментальна установка забезпечує точне керування параметрами лазера та-спостереження за пошкодженням у реальному-часі за допомогою модуля керування енергією, що складається з лазерного джерела із регульованою шириною імпульсу 2-15 пс, пів-хвильової пластини та поляризатора, а також-модуля моніторингу в реальному часі із системою зображення темного поля; крива показує, що в межах діапазону ширини імпульсу 2-15 пс поріг пошкодження АМГ є найнижчим при 10 пс (експериментальне значення 0,0705 Дж/см², добре відповідає змодельованому значенню 0,076 Дж/см²); підмалюнок (c) показує, що при ширині імпульсу 10 пс, коли кількість імпульсів збільшується від 1 до 1000, площа пошкодження AMG поступово розширюється, а розбризкування матеріалу стає дедалі сильнішим, чітко відображаючи ефект багатоімпульсного накопичення.
Висновок:
Це дослідження поєднує теорію (RCWA+TTM) і експерименти, щоб з’ясувати поведінку пошкодження AMG під дією пікосекундних лазерів: RCWA точно визначає кути хребта як вразливі зони, TTM ефективно моделює динаміку електронної-ґратки для прогнозування порогів пошкодження, а експерименти підтверджують, що 10 пс є найнижчим порогом пошкодження (внаслідок синергічного ефекту електро-фононна релаксація, обмеження термічної дифузії граткою та тимчасове поглинання). Існує значний кумулятивний ефект при багатоімпульсному опроміненні частотою 1 кГц зі зниженням порогу пошкодження та погіршенням морфологічного пошкодження зі збільшенням кількості імпульсів. Незважаючи на те, що TTM не повністю відтворює абсолютні експериментальні значення через нехтування дефектами матеріалу, динамікою зміни фази (наприклад, випаровуванням) і механічними ефектами (такими як термічний стрес), він все ще забезпечує єдину аналітичну основу для взаємодії між структурованими металевими плівками та надшвидкими лазерами. Отримані дані є важливими вказівками для покращення довговічності високо-потужних лазерних систем і точних оптичних компонентів, розробки лазерного захисту в аерокосмічній та промисловій лазерній обробці, а також надають ключові докази для оптимізації матеріалів і структур-лазеростійких плівок.
