Et felles forskerteam ledet av professor Zhang Peilei fra Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University og Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. publiserte en forskningsartikkel med tittelen "Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosecond laser multi-}}i the international Mathematikal Modeling journaling pulse. Teamet etablerte en multifysisk modell som kobler elektromagnetisk teori, transient termofysikk og hydrodynamikk, og brukte en puls-for-puls iterativ strategi for å studere utviklingsprosessen av laser-induserte periodiske overflatestrukturer (LIPSS) på titanlegeringsoverflater. Ved å kombinere eksperimentell verifikasjon og numerisk simulering, avslørte teamet den fysiske mekanismen for nanostrukturdannelse og -evolusjon under den synergistiske effekten av Marangoni-strømning og rekyltrykk under morfologisk tilbakemeldingsmekanisme.
01
Introduksjon
Laser-induserte periodiske overflatestrukturer (LIPSS) er et fysisk fenomen som kan generere periodiske strukturer på overflatene til forskjellige materialer (metaller, halvledere osv.) og har blitt grundig studert. LIPSS er generelt klassifisert i to typer: LIPSS med en periode nær laserbølgelengden (LSFL) og LIPSS med en periode som er mye mindre enn laserbølgelengden (HSFL). For klassisk LSFL er dannelsesmekanismen allment akseptert som et resultat av interferens mellom den innfallende laseren og overflateplasmonpolaritonene (SPPs) eksitert på materialoverflaten (elektromagnetisk teori). Selv om elektromagnetisk teori forklarer perioden og retningen til LSFL, beskriver den bare den statiske innledende energiavsetningen og forklarer ikke den dynamiske utviklingen av materialet i en laser-indusert smeltet tilstand. Migrasjonsprosessen av materie i smeltet tilstand omformer overflatemorfologien til en periodisk kombinasjon av topper og bunner.
Femtosekund-laserbehandling har unike fordeler innen mikro- og nano-fremstilling på grunn av sin høye prosesseringspresisjon og lille varme-påvirkede sone. Dens ultrakorte pulsbredde konsentrerer laserenergi på materialets overflate på ekstremt kort tid, og genererer en ikke-termisk likevektsfaseovergang. Elektron termisk ledningsevne og elektron-fononkoblingsstyrke dominerer overføringen og relakseringen av elektromagnetisk energi avsatt i materialet under ultraraske prosesser. Disse faktorene er de grunnleggende årsakene til forskjellene i LIPSS-morfologi observert på forskjellige materialer. LIPSS-dannelse er imidlertid en kumulativ multi-pulsprosess, der overflatemorfologien generert av hver puls fungerer som den innledende grensebetingelsen for neste puls. Videre viser regulariteten til LIPSS en sterk avhengighet av materialegenskaper. Tidligere numeriske simuleringer har sjelden vurdert påvirkningen av overflatemorfologi generert av tidligere pulser på påfølgende pulser i multi-puls, multi{13}}fysikkmiljøer. Endringer i materialoverflatemorfologi under multi{15}}pulsforhold fører til temperaturfeltinhomogenitet, som igjen påvirker omfordelingen av smeltet væske indusert av temperaturgradienter. Dette nødvendiggjør en kvantitativ analyse og diskusjon av LIPSS-evolusjonsprosessen fra et puls-for-pulsperspektiv.
Laser- og elektronstrålebehandling
02
Simuleringsmetoder
For å studere den kumulative utviklingen av LIPSS under multi-puls femtosekunders laserbestråling og den relaterte positive tilbakemeldingsmekanismen, dekomponerer simuleringsarbeidsflyten laser-materieinteraksjonen til en enkelt puls i tre koblede trinn: elektromagnetisk feltberegning, termodynamisk evolusjon og væskedynamikk, som deretter gjentas i den. I denne studien fokuserer vi på evolusjonsprosessen som starter fra en deterministisk overflate. Simuleringen begynner med et ideelt, jevnt plan, der ablasjonsgroper generert av laserparametere og materialrespons betraktes som den "effektive ruheten" for påfølgende elektromagnetisk kobling. I denne modellen er denne effektive ruheten representert ved simulert overflateablasjon, en metode som eliminerer usikkerhet knyttet til tilfeldig initial overflateruhet, og lar oss studere hvordan LIPSS dannes og forplanter seg ved ablasjonskanter og innenfor overflaten.
03
Tilbakemelding om overflatemorfologi
Under multi-puls femtosekund laserbestråling er ikke dannelsen av LIPSS en enkel superposisjon av et enkelt fysisk felt, men en dynamisk evolusjonsprosess der overflatemorfologipåvirkningen fra tidligere pulser samhandler med påfølgende pulser. Figur 2 viser utviklingen av materialets overflatemorfologi og den tilsvarende romlige fordelingen av det elektriske feltet under flere pulser. For den innledende pulsen (N=1) er den elektriske feltfordelingen på den glatte materialoverflaten sideveis jevn, og viser hovedsakelig et stående bølgemønster dannet av interferens av innfallende og reflektert lys. Etter hvert som antall pulser øker (N=20, N=30), utvikler den opprinnelig glatte overflaten seg til grunne ablasjonsgroper. Det ikke-plane grensesnittet bryter symmetrien til planet og gir den spredte-planbølgevektorkomponenten, noe som fører til svak SPP-eksitasjon ved metall-luftgrensesnittet. Når antallet pulser øker ytterligere (N=40, N=50), fungerer de periodiske sporene som vises som mer effektive diffraksjonsgitter, noe som resulterer i sterkere SPP-kobling. Som vist i den forstørrede visningen ved N=50, genererer interferensen mellom SPP og påfølgende innfallende lys romlige lokale elektromagnetiske hotspots i sporene, der den elektriske feltintensiteten er betydelig høyere enn den innfallende feltintensiteten.
Figur 3 illustrerer utviklingen av materialets overflatemorfologi og den tilsvarende toppgittertemperaturfordelingen under forskjellige antall pulser (N=1-50). I det innledende stadiet (N=1-10) dannes det ablasjonsgroper på den flate overflaten. På dette tidspunktet er overflatetemperaturen jevnt fordelt sideveis, og den tilsvarende temperaturfordelingen viser en lav og bred topp, noe som reflekterer den Gaussiske fordelingen av laserenergien. Etter hvert som antall pulser øker (N=20-50), vises en periodisk temperaturfordeling med høy-kontrast gradvis, i samsvar med fremveksten av periodiske overflatestrukturer. Den høyeste gittertemperaturen er konsentrert i dalene i disse periodiske strukturene, mens temperaturen på toppene forblir relativt lav. Temperaturfordelingsplottet viser at når antallet pulser øker, blir amplituden til denne temperaturmodulasjonen mer uttalt, og topptemperaturen øker gradvis. Ved å kombinere dette med utviklingen av den elektriske feltfordelingen vist i figur 2, kan gittertemperaturfordelingen under flere pulser forklares med en elektromagnetisk termisk tilbakekoblingsmekanisme. Elektromagnetiske varmepunkter i dalene danner romlig uensartede varmekilder, og genererer til slutt et periodisk gittertemperaturfelt som tilsvarer overflatemorfologien.
04
Væskestrøm under smeltestadiet
Femtosekund laserpulsenergi overføres til gitteret via elektron-fononkobling. Når gittertemperaturen når smeltepunktet, dannes et forbigående smeltet lag på materialets overflate. Den påfølgende utviklingen av LIPSS på en pikosekund tidsskala styres ikke bare av statisk ablasjon, men også av den hydrodynamiske transporten i dette smeltede laget. I denne modellen er periodisitet forhåndsdefinert av elektromagnetisk energiavsetning, mens Marangoni-stress og rekyltrykk primært driver omfordeling og fjerning av det smeltede materialet. Figurene 4, 5 og 6 viser væskestrømningstrendene under smeltetrinnet i en multi-pulsprosess (N=20-40) når den periodiske strukturen utvikler seg fra grunt til dypt. På dette stadiet har gittertemperaturen overskredet smeltepunktet, men har ennå ikke nådd fordampningstemperaturen. I disse tre figurene representerer a1 og a2 toppene av den periodiske strukturen, mens a3 og a4 representerer bunnene. Som vist i figur 4, i de tidlige stadiene av periodisk strukturdannelse (N=20), er det etablert et periodisk temperaturfelt på overflaten, og en bølget struktur begynner å vises. I dalområdene med de høyeste temperaturene (fig. 4(c)), drevet av overflatespenningsgradienten, får Marangoni-effekten den smeltede overflatevæsken til å strømme med høy hastighet fra dalens sentrum til tilstøtende topper. Omvendt, i toppene med de laveste temperaturene (fig. 4(b)), observeres væske fra tilstøtende daler å konvergere og samle seg oppover. En sammenligning av disse områdene avslører høy-divergerende strømning i bunnene og lav-konvergerende strømning i toppene. Som vist i strømningsfeltene i fig. 4(b) og (c), forårsaker strømmen av overflatevæske mot toppene en tilbakestrøm dypere inne i det smeltede bassenget, og returnerer fra under toppen til dalen. Denne kombinasjonen av ytre overflatestrøm og innover bunnstrømning -organiserer seg i et par typiske Marangoni-virvler innenfor hver topp og bunn av den periodiske strukturen. Ved å sammenligne figurene, kan det sees fra fig. . 4, 5 og 6 at når dalene blir dypere, blir overflatevæsken gradvis begrenset i dem (fig. . 4(c), 5(c) og 6(c)). Dypere daler tilsvarer sterkere lokale elektriske felt, og undertrykker derved lateral termisk diffusjon fra dalen til tilstøtende topper. Dette resulterer i at en brattere temperaturgradient opprettholdes i dalene. Derfor, siden kreftene som driver fluidbevegelse avhenger av temperatur, blir disse kreftene i økende grad begrenset i dalene. Fra perspektivet om å øke antall pulser, betyr dette at energien til påfølgende pulser brukes til å utdype eksisterende spor, i stedet for å fjerne allerede dannede topper eller bygge nye strukturer. Følgelig øker høydeforskjellen mellom topper og daler kontinuerlig, noe som fører til en gradvis utdyping av den periodiske strukturen.
05
Simuleringsverifisering
For å illustrere dannelsesprosessen av periodiske overflatestrukturer drevet av den synergistiske effekten av elektromagnetiske effekter og væskestrøm under multi-pulsbestråling, ble overflatemorfologi-evolusjonen observert i det lineære skanningseksperimentet sammenlignet med resultatene av den iterative multifysiske modellen, som vist i figur 7. I det innledende stadiet av pulsen ble den tilfeldige overflaten i pulsen hovedsakelig dekket av partiklene og ingen akkumulering. generert av ablasjon-gjenavsetning og transport av smeltet væske. I simuleringen brukte vi det fysiske ekvivalente utgangspunktet for LIPSS-evolusjon, nemlig laser-induserte ablasjonsgroper. Både tilfeldige nanopartikler og ablasjonsgroper kan tjene som spredningsgrenser for påfølgende pulser, og dermed spennende SPP. Påfølgende pulser etablerer et periodisk temperaturfelt på denne ikke-plane overflaten gjennom SPP-interferens, og driver omfordelingen av smeltet materiale i denne perioden. Deretter begynner Marangoni-kraft og rekyltrykk å drive omfordelingen av smeltet væske, og fremmer derved dannelsen av LIPSS.
For bedre å validere simuleringsresultatene, ble LIPSS under ett-punkt femtosekund laserbelysning sammenlignet med de numeriske simuleringsresultatene. Som vist i figur 8, viser de to en høy grad av konsistens i romlig periodisitet. For å kvantifisere denne perioden ble lokale gråtonekonturer av SEM-bildet trukket ut langs retningen vinkelrett på LIPSS, noe som ga en gjennomsnittlig periode på omtrent 980 nm for den eksperimentelle strukturen. Figur 8(b) viser den simulerte tverrsnittskonturen i samme romlige skala. Ved å kartlegge den simulerte overflatekonturen på SEM-bildet med samme koordinater og skala, ble det observert at de romlige posisjonene til de simulerte toppene og dalene samsvarer tett med de lyse og mørke stripene i SEM-bildet. Den simulerte perioden er omtrent 960 nm, som er i utmerket overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene målt ved bruk av konturmetoden.
06
Konklusjon
Denne studien konstruerte en multifysisk modell basert på elektromagnetisk teori, fluiddynamikkteori og de termofysiske egenskapene til materialer gjennom numerisk simulering. Den forklarte fra start til slutt dannelsen av periodiske strukturer på metalloverflater drevet av den synergistiske effekten av elektromagnetiske effekter og væskestrømningsustabilitet under multi-puls femtosekund laserbehandling. Gjennom suksessive pulsiterasjoner av simulering på materialoverflaten og komparativ analyse av simuleringsresultater med eksperimentelle resultater, konkluderer vi med at dannelsen av LIPSS er et resultat av den synergistiske effekten av elektromagnetisk og fluiddynamikk.
Samspillet mellom den innfallende femtosekundlaseren og materialoverflaten, i nærvær av overflateruhet, eksiterer SPP-er som forstyrrer det innfallende lyset. Denne prosessen genererer romlig periodisk og ikke-jevn energiavsetning på materialets overflate. Vi bekreftet at denne nødvendige overflateruheten kan være ablasjonsgroper forårsaket av selve laseren, som kan tjene som grensebetingelser for spennende SPP-er. Overflatemorfologien dannet av tidligere pulser fungerer som et diffraksjonsgitter for påfølgende pulser, og forbedrer SPP-koblingseffektiviteten. Når denne periodiske energien er absorbert av materialet, forvandles den raskt til et tilsvarende gittertemperaturgradientfelt, og danner et forbigående smeltet lag på overflaten. Dette ekstremt tynne smeltede laget, påvirket av den periodiske temperaturgradienten, er fysisk svært ustabilt, og aktiverer derved væsketransport som kontrollerer materialmigrering. Under smeltetrinnet migrerer Marangoni-kraften, drevet av overflatespenning, den smeltede væsken fra høy-temperaturbunner til lav-temperaturtopp, og danner en høy-divergerende strømning i bunnene og en konvergerende strømning med lav-hastighet i toppene. Etter hvert som antallet pulser øker, blir rennene gradvis dypere, og overflatevæsken begrenses gradvis til rennene. Under fordampningstrinnet er den ytterligere økningen i gittertemperaturen ledsaget av en ytterligere økning i rekyltrykket. På dette tidspunktet fungerer rekyltrykket som den dominerende mekanismen som driver væsken, og bruker sterkere kraft for å drive væsken fra overflaten av rennene nedover til undergrunnen, samtidig som væsken forskyves sideveis til toppene.
