Pasukan penyelidikan bersama yang diketuai oleh Profesor Zhang Peilei dari Universiti Sains Kejuruteraan Shanghai, Universiti Lancaster dan Amplitud Suzhou Laser Co., Ltd. menerbitkan kertas penyelidikan bertajuk "Gandingan hidrodinamik-elektromagnet dan maklum balas morfologi dalam pembentukan dan evolusi LIPSS pada logam di bawah penyinaran berbilang-laser femtosecond dengan penyinaran nadi" antarabangsa. Pasukan ini menubuhkan model multifizik yang menggandingkan teori elektromagnet, termofizik sementara dan hidrodinamik, dan menggunakan strategi lelaran-demi nadi untuk mengkaji proses evolusi laser-struktur permukaan berkala teraruh (LIPSS) pada permukaan aloi titanium. Menggabungkan pengesahan eksperimen dan simulasi berangka, pasukan itu mendedahkan mekanisme fizikal pembentukan struktur nano dan evolusi di bawah kesan sinergistik aliran Marangoni dan tekanan mundur di bawah mekanisme maklum balas morfologi.
01
pengenalan
Struktur permukaan berkala (LIPSS) teraruh laser{0}} ialah fenomena fizikal yang boleh menjana struktur berkala pada permukaan pelbagai bahan (logam, semikonduktor, dll.) dan telah dikaji secara meluas. LIPSS secara amnya dikelaskan kepada dua jenis: LIPSS dengan tempoh yang hampir dengan panjang gelombang laser (LSFL) dan LIPSS dengan tempoh yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang laser (HSFL). Untuk LSFL klasik, mekanisme pembentukan diterima secara meluas akibat gangguan antara laser kejadian dan polariton plasmon permukaan (SPP) yang teruja pada permukaan bahan (teori elektromagnet). Walaupun teori elektromagnet menerangkan tempoh dan arah LSFL, ia hanya menerangkan pemendapan tenaga awal statik dan tidak menerangkan evolusi dinamik bahan dalam keadaan lebur teraruh laser-. Proses migrasi jirim dalam keadaan cair membentuk semula morfologi permukaan menjadi gabungan puncak dan palung secara berkala.
Pemprosesan laser femtosaat mempunyai kelebihan unik dalam bidang pembuatan- dan nano-mikro kerana ketepatan pemprosesan yang tinggi dan haba yang kecil-zon terjejas. Lebar nadi ultrashortnya menumpukan tenaga laser pada permukaan bahan dalam masa yang sangat singkat, menghasilkan peralihan fasa keseimbangan bukan terma-. Kekonduksian terma elektron dan kekuatan gandingan elektron-elektron mendominasi penghantaran dan kelonggaran tenaga elektromagnet yang disimpan dalam bahan semasa proses ultrapantas. Faktor-faktor ini adalah sebab asas bagi perbezaan dalam morfologi LIPSS yang diperhatikan pada pelbagai bahan. Walau bagaimanapun, pembentukan LIPSS ialah proses berbilang-nadi kumulatif, dengan morfologi permukaan yang dijana oleh setiap nadi bertindak sebagai keadaan sempadan awal untuk nadi seterusnya. Tambahan pula, keteraturan LIPSS menunjukkan pergantungan yang kuat pada sifat material. Simulasi berangka sebelumnya jarang mempertimbangkan pengaruh morfologi permukaan yang dijana oleh denyutan sebelumnya pada denyutan berikutnya dalam persekitaran berbilang-nadi,{13}}fizik. Perubahan dalam morfologi permukaan bahan dalam keadaan berbilang{15}}nadi membawa kepada ketidakhomogenan medan suhu, yang seterusnya memberi kesan kepada pengagihan semula cecair cair yang disebabkan oleh kecerunan suhu. Ini memerlukan analisis kuantitatif dan perbincangan proses evolusi LIPSS dari sudut{17}}demi-perspektif nadi.
Pemprosesan Pancaran Laser & Elektron
02
Kaedah Simulasi
Untuk mengkaji evolusi terkumpul LIPSS di bawah penyinaran laser berbilang-pulse femtosecond dan mekanisme maklum balas positif yang berkaitan, aliran kerja simulasi menguraikan interaksi jirim-laser bagi satu nadi kepada tiga langkah berganding: pengiraan medan elektromagnet, evolusi termodinamik dan dinamik bendalir, yang kemudiannya diulang dalam simulasi berulang. Dalam kajian ini, kami memberi tumpuan kepada proses evolusi bermula dari permukaan yang menentukan. Simulasi bermula dengan satah yang ideal dan licin, di mana lubang ablasi yang dihasilkan oleh parameter laser dan tindak balas bahan dianggap sebagai "kekasaran yang berkesan" untuk gandingan elektromagnet berikutnya. Dalam model ini, kekasaran yang berkesan ini diwakili oleh ablasi permukaan yang disimulasikan, kaedah yang menghapuskan ketidakpastian yang dikaitkan dengan kekasaran permukaan awal rawak, membolehkan kita mengkaji cara LIPSS membentuk dan merambat pada tepi ablasi dan dalam permukaan.
03
Maklum Balas Morfologi Permukaan
Di bawah penyinaran laser berbilang-nadi femtosaat, pembentukan LIPSS bukanlah superposisi mudah bagi medan fizikal tunggal, tetapi proses evolusi dinamik di mana pengaruh morfologi permukaan denyutan sebelumnya berinteraksi dengan denyutan berikutnya. Rajah 2 menunjukkan evolusi morfologi permukaan bahan dan taburan spatial yang sepadan bagi medan elektrik di bawah pelbagai denyutan. Untuk nadi awal (N=1), taburan medan elektrik pada permukaan bahan licin adalah seragam sisi, terutamanya mempamerkan corak gelombang berdiri yang dibentuk oleh gangguan kejadian dan cahaya yang dipantulkan. Apabila bilangan denyutan bertambah (N=20, N=30), permukaan licin pada mulanya berubah menjadi lubang ablasi cetek. Antara muka bukan satah-memecahkan simetri satah dan menyediakan komponen vektor gelombang satah-yang bertaburan, yang membawa kepada pengujaan SPP yang lemah pada antara muka udara-logam. Apabila bilangan denyutan semakin meningkat (N=40, N=50), alur berkala yang kelihatan bertindak sebagai jeriji difraksi yang lebih berkesan, menghasilkan gandingan SPP yang lebih kuat. Seperti yang ditunjukkan dalam paparan diperbesarkan di N=50, gangguan antara SPP dan cahaya kejadian seterusnya menjana titik panas elektromagnet tempatan spatial dalam alur, di mana keamatan medan elektrik jauh lebih tinggi daripada keamatan medan kejadian.
Rajah 3 menggambarkan evolusi morfologi permukaan bahan dan taburan suhu kekisi puncak yang sepadan di bawah bilangan denyutan yang berbeza (N=1-50). Pada peringkat awal (N=1-10), lubang ablasi terbentuk pada permukaan rata. Pada masa ini, suhu permukaan diagihkan dengan lancar secara sisi, dan taburan suhu yang sepadan menunjukkan puncak yang rendah dan lebar, mencerminkan taburan Gaussian tenaga laser. Apabila bilangan denyutan meningkat (N=20-50), taburan suhu berkala kontras yang tinggi secara beransur-ansur muncul, selaras dengan kemunculan struktur permukaan berkala. Suhu kekisi tertinggi tertumpu di lembah struktur berkala ini, manakala suhu di puncak kekal rendah. Plot pengedaran suhu menunjukkan bahawa apabila bilangan denyutan meningkat, amplitud modulasi suhu ini menjadi lebih ketara, dan suhu puncak secara beransur-ansur meningkat. Dengan menggabungkan ini dengan evolusi taburan medan elektrik yang ditunjukkan dalam Rajah 2, taburan suhu kekisi di bawah pelbagai denyutan boleh dijelaskan oleh mekanisme maklum balas haba elektromagnet. Titik panas elektromagnet yang terletak di lembah membentuk sumber haba yang tidak{13}}sekata secara spatial, akhirnya menghasilkan medan suhu kekisi berkala sepadan dengan morfologi permukaan.
04
Aliran Bendalir Semasa Peringkat Lebur
Tenaga nadi laser femtosaat dipindahkan ke kekisi melalui gandingan elektron-phonon. Sebaik sahaja suhu kekisi mencapai takat lebur, lapisan lebur sementara terbentuk pada permukaan bahan. Evolusi LIPSS seterusnya pada skala masa picosecond dikawal bukan sahaja oleh ablasi statik tetapi juga oleh pengangkutan hidrodinamik dalam lapisan cair ini. Dalam model ini, keberkalaan ditakrifkan terlebih dahulu oleh pemendapan tenaga elektromagnet, manakala tekanan Marangoni dan tekanan mundur terutamanya memacu pengagihan semula dan penyingkiran bahan cair. Rajah 4, 5 dan 6 menunjukkan aliran aliran bendalir semasa peringkat lebur proses nadi berbilang- (N=20-40) apabila struktur berkala berkembang dari cetek ke dalam. Pada peringkat ini, suhu kekisi telah melebihi takat lebur tetapi masih belum mencapai suhu pengewapan. Dalam tiga rajah ini, a1 dan a2 mewakili puncak struktur berkala, manakala a3 dan a4 mewakili palung. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, pada peringkat awal pembentukan struktur berkala (N=20), medan suhu berkala telah ditubuhkan di permukaan dan struktur beralun mula muncul. Di kawasan lembah dengan suhu tertinggi (Rajah. 4(c)), didorong oleh kecerunan tegangan permukaan, kesan Marangoni menyebabkan cecair permukaan lebur mengalir pada kelajuan tinggi dari pusat lembah ke puncak bersebelahan. Sebaliknya, di kawasan puncak dengan suhu terendah (Rajah. 4(b)), bendalir dari lembah bersebelahan diperhatikan untuk menumpu dan terkumpul ke atas. Perbandingan kawasan ini mendedahkan-aliran mencapah berkelajuan tinggi dalam palung dan-aliran penumpu berkelajuan rendah di puncak. Seperti yang ditunjukkan dalam medan aliran Rajah. 4(b) dan (c), aliran bendalir permukaan ke arah puncak menyebabkan aliran balik lebih dalam dalam kolam lebur, kembali dari bawah puncak ke lembah. Gabungan aliran permukaan luar dan aliran bawah masuk-ini tersusun menjadi sepasang pusaran Marangoni biasa dalam setiap puncak dan palung struktur berkala. Dengan membandingkan rajah, dapat dilihat daripada Rajah. 4, 5 dan 6 bahawa apabila lembah semakin dalam, cecair permukaan secara beransur-ansur terkurung di dalamnya (Rajah. 4(c), 5(c) dan 6(c)). Lembah yang lebih dalam sepadan dengan medan elektrik tempatan yang lebih kuat, dengan itu menyekat resapan haba sisi dari lembah ke puncak bersebelahan. Ini menyebabkan kecerunan suhu yang lebih curam dikekalkan di dalam lembah. Oleh itu, oleh kerana daya yang menggerakkan pergerakan bendalir bergantung pada suhu, daya ini menjadi semakin terkurung di dalam lembah. Dari perspektif meningkatkan bilangan denyutan, ini bermakna tenaga denyutan berikutnya digunakan untuk mendalamkan alur sedia ada, bukannya mengecilkan puncak yang sudah terbentuk atau membina struktur baharu. Akibatnya, perbezaan ketinggian antara puncak dan lembah terus meningkat, membawa kepada pendalaman struktur berkala secara beransur-ansur.
05
Pengesahan Simulasi
Untuk menggambarkan proses pembentukan struktur permukaan berkala yang didorong oleh kesan sinergistik kesan elektromagnet dan aliran bendalir di bawah penyinaran berbilang-nadi, evolusi morfologi permukaan yang diperhatikan dalam eksperimen pengimbasan linear dibandingkan dengan keputusan model multifizik berulang, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7. Pada peringkat awal pengumpulan nadi oleh permukaan bahan rawak secara rawak adalah permukaan bahan yang dilindungi secara rawak, ablasi-pemendapan semula dan pengangkutan cecair cair. Dalam simulasi, kami menggunakan titik permulaan setara fizikal evolusi LIPSS, iaitu lubang ablasi teraruh laser-. Kedua-dua nanopartikel rawak dan lubang ablasi boleh berfungsi sebagai sempadan penyebaran untuk denyutan berikutnya, dengan itu mengujakan SPP. Denyutan seterusnya mewujudkan medan suhu berkala pada permukaan bukan satah ini melalui gangguan SPP, memacu pengagihan semula bahan cair sepanjang tempoh ini. Kemudian, daya Marangoni dan tekanan mundur mula memacu pengagihan semula cecair cair, dengan itu menggalakkan pembentukan LIPSS.
Untuk mengesahkan hasil simulasi dengan lebih baik, LIPSS di bawah pencahayaan laser femtosaat tunggal-dibandingkan dengan hasil simulasi berangka. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, kedua-duanya mempamerkan tahap konsistensi yang tinggi dalam periodicity spatial. Untuk mengukur tempoh ini, kontur skala kelabu tempatan imej SEM telah diekstrak sepanjang arah berserenjang dengan LIPSS, menghasilkan tempoh purata kira-kira 980 nm untuk struktur eksperimen. Rajah 8(b) menunjukkan kontur keratan-rentas simulasi pada skala spatial yang sama. Dengan memetakan kontur permukaan simulasi pada imej SEM pada koordinat dan skala yang sama, diperhatikan bahawa kedudukan spatial puncak dan lembah yang disimulasikan berpadanan rapat dengan jalur terang dan gelap dalam imej SEM. Tempoh simulasi adalah kira-kira 960 nm, yang sangat sesuai dengan keputusan eksperimen yang diukur menggunakan kaedah kontur.
06
Kesimpulan
Kajian ini membina model multifizik berdasarkan teori elektromagnet, teori dinamik bendalir, dan sifat termofizik bahan melalui simulasi berangka. Ia menerangkan dari awal hingga akhir pembentukan struktur berkala pada permukaan logam yang didorong oleh kesan sinergistik kesan elektromagnet dan ketidakstabilan aliran bendalir di bawah rawatan laser berbilang{1}}nadi femtosaat. Melalui lelaran nadi berturut-turut simulasi pada permukaan bahan dan analisis perbandingan hasil simulasi dengan keputusan eksperimen, kami membuat kesimpulan bahawa pembentukan LIPSS adalah hasil daripada kesan sinergistik dinamik elektromagnet dan bendalir.
Interaksi antara laser femtosaat kejadian dan permukaan bahan, dengan adanya kekasaran permukaan, merangsang SPP yang mengganggu cahaya kejadian. Proses ini menghasilkan pemendapan tenaga secara berkala dan tidak{1}}secara pada permukaan bahan. Kami mengesahkan bahawa kekasaran permukaan yang diperlukan ini boleh menjadi lubang ablasi yang disebabkan oleh laser itu sendiri, yang boleh berfungsi sebagai syarat sempadan untuk SPP yang menarik. Morfologi permukaan yang dibentuk oleh denyutan sebelumnya bertindak sebagai parut pembelauan untuk denyutan berikutnya, meningkatkan kecekapan gandingan SPP. Apabila tenaga berkala ini diserap oleh bahan, ia dengan cepat berubah menjadi medan kecerunan suhu kekisi yang sepadan, membentuk lapisan lebur sementara di permukaan. Lapisan cair yang sangat nipis ini, dipengaruhi oleh kecerunan suhu berkala, secara fizikalnya sangat tidak stabil, dengan itu mengaktifkan pengangkutan bendalir yang mengawal penghijrahan bahan. Semasa peringkat lebur, daya Marangoni, didorong oleh tegangan permukaan, memindahkan bendalir lebur daripada-suhu tinggi ke puncak suhu-rendah, membentuk-aliran mencapah berkelajuan tinggi dalam palung dan{10}}alir penumpu berkelajuan rendah di puncak. Apabila bilangan denyutan meningkat, palung secara beransur-ansur mendalam, dan cecair permukaan secara beransur-ansur terhad kepada palung. Semasa peringkat pengewapan, peningkatan selanjutnya dalam suhu kekisi disertai dengan peningkatan selanjutnya dalam tekanan mundur. Pada ketika ini, tekanan gegelung bertindak sebagai mekanisme dominan yang memacu bendalir, menggunakan daya yang lebih kuat untuk memacu bendalir dari permukaan palung ke bawah ke bawah permukaan, sementara juga menyesarkan bendalir ke bahagian atas ke puncak.
