01 Paber Sissejuhatus
Optilisi õhukesi kilesid (ühe-/{0}}mitmekihilised katted või restid) kasutatakse laialdaselt kuvarites, lasersüsteemides, meditsiiniseadmetes ja kosmosetööstuses. Režiimi-lukustamise ja piiksuva impulsi võimendamise (CPA) tehnikad, mis juhivad pikosekundi-/femtosekundiseid ülikiireid lasereid, põhjustavad suure tippvõimsuse tõttu laienevad rakendused, nagu materjalitöötlus, ka laseri-indutseeritud kahjustusi, mis on tingitud mitte-termilistest footonitest-, elektronide interaktsioonidest, avaioonidest, kepsorptsioonidest jne. optiliste komponentide eluea peamine piirav tegur. Metallkile restid oma laia peegeldusvõimega on otsustava tähtsusega sellistes stsenaariumides nagu CPA laserimpulsi kokkusurumine, kuid olemasolevad uuringud ei ole põhjalikult uurinud seost impulsi kestuse (eriti minimaalse kahjuläve lähedal olevate detailide), mitme impulsi ja kahjustusläve vahel ega arvestanud piisavalt kohaliku elektrivälja efektide ja optiliste omaduste ajalist varieerumist. Seetõttu uurib käesolev uuring teoreetiliste arvutuste ja katsete abil alumiiniumkile restide (AMG) kahjustusmehhanisme 2–15 ps pikosekundilise laserkiirguse all, määratledes kahjustusläve kui minimaalse laseri voogu, mis kutsub esile püsivaid morfoloogilisi muutusi, samas kui kumulatiivne efekt viitab materjali korduvale mehaanilisele kokkupuutele, termilisele kokkupuutele või elektrooniliste omaduste muutumisele.
02 Täisteksti ülevaade
See uuring keskendub AMG-le, analüüsides süstemaatiliselt pikosekundiliste laserite impulsi kestust ja mitme impulsi kumulatiivseid kahjustusi. Esiteks kasutatakse kohaliku elektrivälja jaotuse simuleerimiseks ranget sidestatud{0}}laineanalüüsi (RCWA), mis tuvastab kõige haavatavamate piirkondadena võre harja nurgad; seejärel iseloomustab kahe-temperatuuri mudel (TTM) elektronide ja võre ülikiiret dünaamikat kombineerituna alumiiniumi parameetritega, nagu varjatud sulamissoojus, et ennustada ühe-impulsi ja mitme-impulsi kahjustuse künniseid; katseliselt luuakse reaalajas pildistamissüsteemiga platvorm-reaalajas kahjustuste lävede mõõtmiseks, kasutades 2-15 ps häälestatava impulsi laiusega lasereid, leides madalaima AMG kahjustuse läve 10 ps juures (katseväärtus 0,0705 J/cm²), kasutades katse kiiritussagedust 1 kH 010 kordus1 kHz 010. täheldatakse, et kahjustuse lävi väheneb järk-järgult impulsside arvu suurenedes (langedes 0,0346 J/cm² 1000 impulsi korral) ja kahjustuse morfoloogia (ablatsioon, pritsimine jne) süveneb kumulatiivsete impulsside korral. Uuringu tuumaks on luua kvantitatiivne seos impulsi parameetrite (impulsi laius, arv) ja AMG kahjustuste vahel, pakkudes teoreetilist ja eksperimentaalset tuge laserkindlate optiliste katete väljatöötamiseks.
03 Graafiline analüüs
Joonis 1 näitab intuitiivselt pikosekundilise laseri ja alumiiniumkile resti (AMG) vahelise interaktsiooni tuumaenergia ülekandeprotsessi. Nagu näidatud, neelavad ülikiire laseri langemisel metallis olevad vabad elektronid esmalt kiiresti footonenergiat ja ergastuvad, moodustades kõrge temperatuuriga elektronide süsteemi; seejärel kannavad ergastatud elektronid energiat võrele samm-sammult elektron-fononi sidestamise ja fonon-fooni hajumise protsesside kaudu, põhjustades lõpuks muutusi võre temperatuuris. See protsess lõhub termilise tasakaalu elektronide ja võre vahel ning on laseri-indutseeritud kahjustuste peamine energiaallikas, pakkudes füüsikalist raamistikku kahe-temperatuurimudeli (TTM) järgnevaks loomiseks.
Joonisel 2, mis põhineb rangel side-laineanalüüsil (RCWA), on näha, et lainepikkusel 1030 nm on elektrivälja intensiivsus võre harja nurkades suurem, moodustades "kuumad kohad", mis näitavad kahjustuste tõenäolisi alguspunkte. AMG ülekande-, peegeldus- ja neeldumisspektrid näitavad, et võreperioodi pikendamine suurendab energia neeldumist erinevatel lainepikkustel, suurendades materiaalse kahju ohtu. SEM-pildid näitavad ilmseid kahjustusi AMG katuseharja nurkades, mis on kooskõlas elektrivälja "kuuma koha" asukohtadega, kinnitades RCWA simulatsioonide täpsust.
Joonisel 3 on kvantifitseeritud elektronide ja võre temperatuuride areng AMG-s pikosekundilise laseriga kokkupuutel, kasutades kahe temperatuuri mudelit: 10 ps impulsi laiuse korral, kui laseri energiatihedus jõuab 0,076 J/cm², tõuseb võre temperatuur alumiiniumi sulamistemperatuurini, mis kujutab endast simuleeritud kahjustust (933 K). lävi 10 ps; fikseeritud energiatiheduse korral on 2 ps lühikese impulsi elektronide tipptemperatuur palju kõrgem kui 15 ps pikkuse impulsi puhul (kuna lühemad impulsid ladestavad energiat kiiremini ja kontsentreerivad elektronide energiat); alla 10 ps impulsi laiuse ja 1 kHz kordussagedusega langeb kahjustuslävi pärast 10 impulssi soojuse akumuleerumise tõttu väärtusele 0,0598 J/cm², mis on madalam kui ühe impulsi lävi.
Joonisel 4 on eksperimentaalne seadistus saavutanud laseri parameetrite täpse juhtimise ja kahjustuste reaalajas jälgimise energiajuhtimismooduli kaudu, mis koosneb 2-15 ps häälestatava impulsi laiusega laserallikast, pool-laineplaadist ja polarisaatorist, samuti reaalajas{5}}jälgimismoodulist koos tumevälja kujutise süsteemiga; kõver näitab, et 2–15 ps impulsi laiuse vahemikus on AMG kahjustuse lävi madalaim 10 ps juures (katseline väärtus 0,0705 J/cm², mis on väga kooskõlas simuleeritud väärtusega 0,076 J/cm²); alajoonis (c) näitab, et 10 ps impulsi laiuse korral, kui impulsside arv suureneb 1-lt 1000-le, laieneb AMG kahjustuspiirkond järk-järgult ja materjali pritsimine muutub üha tõsisemaks, peegeldades selgelt mitme impulsi akumulatsiooniefekti.
Järeldus:
Selles uuringus on ühendatud teooria (RCWA+TTM) ja katsed, et selgitada AMG kahjustuskäitumist pikosekundiliste laserite all: RCWA tuvastab täpselt katuseharja nurgad haavatavate aladena, TTM simuleerib tõhusalt elektron-võre dünaamikat, et ennustada kahjustuse lävesid, ja katsed kinnitavad, et 10-st kõige madalamast kahjustusest ps on madalaim kahjustus. elektron-fononi relaksatsiooni, võre termilise difusiooni piirangu ja mööduva neeldumise mõju). 1 kHz multi-impulsskiirguse korral on märkimisväärne kumulatiivne efekt, mille kahjustuslävi väheneb ja morfoloogilised kahjustused süvenevad, kui impulsside arv suureneb. Kuigi TTM ei reprodutseeri täielikult absoluutseid eksperimentaalseid väärtusi materjalidefektide, faasimuutuste dünaamika (nt aurustumise) ja mehaaniliste mõjude (nt termilise pinge) tähelepanuta jätmise tõttu, pakub see siiski ühtset analüütilist raamistikku struktureeritud metallkilede ja ülikiirete laserite vaheliseks interaktsiooniks. Tulemused on olulised juhised suure võimsusega lasersüsteemide ja täppisoptiliste komponentide vastupidavuse parandamiseks, laserkaitse kavandamiseks kosmosetööstuses ja tööstuslikus lasertöötluses ning olulised tõendid laserkindlate kilede materjalide ja struktuuride optimeerimiseks.
