01 Papirintroduksjon
Optiske tynne filmer (enkelt-/flerlagsbelegg eller gitter) er mye brukt i skjermer, lasersystemer, medisinsk utstyr og romfart. Modus-låsing og chirped puls amplification (CPA)-teknikker som driver pikosekund/femtosekund ultraraske lasere, selv om ekspanderende applikasjoner som materialbehandling på grunn av høy toppeffekt også forårsaker laser-indusert skade på grunn av ikke-termisk foton-absorpsjon, avbildeinteraksjon, etc. (multifotointeraksjon osv.), blir en viktig begrensende faktor for levetiden til optiske komponenter. Metallfilmgitter, med sin brede reflektivitet, er avgjørende i scenarier som CPA-laserpulskompresjon, men eksisterende forskning har ikke grundig undersøkt forholdet mellom pulsvarighet (spesielt detaljene nær minimumsskadeterskelen), multiple pulser og skadeterskel, og heller ikke tilstrekkelig vurdert den tidsmessige variasjonen av lokale elektriske felteffekter og optiske egenskaper. Derfor undersøker denne studien, gjennom teoretiske beregninger og eksperimenter, skademekanismene til aluminiumsfilmgitter (AMG) under 2-15 ps picosekunders laserbestråling, og definerer skadeterskelen som minimum laserfluens som induserer permanente morfologiske endringer, mens den "kumulative effekten" refererer til de gjentatte elektroniske, gradvise endringene i materialet, mekaniske eller mekaniske endringer i materialet.
02 Fulltekstoversikt
Denne studien fokuserer på AMG, og analyserer systematisk pulsvarigheten til pikosekundlasere og de kumulative skadevirkningene av flere pulser: For det første brukes streng koblet-bølgeanalyse (RCWA) for å simulere den lokale elektriske feltfordelingen, og identifisere ristrygghjørnene som de mest sårbare områdene; deretter karakteriserer to-temperaturmodellen (TTM) den ultraraske dynamikken til elektroner og gitter, kombinert med aluminiumsparametere som latent fusjonsvarme, for å forutsi skadeterskler for enkelt- og multi-puls; eksperimentelt settes en plattform med et sanntidsbildesystem opp for å måle skadeterskler ved å bruke 2-15 ps avstembare pulsbreddelasere, og finne den laveste AMG-skadeterskelen ved 10 ps (eksperimentell verdi 0,0705 J/cm²), mens man bruker en 1 kHz-frekvens for 0-1 pulsrepetisjon. eksperimenter, er det observert at skadeterskelen synker progressivt med økende pulsantall (fall til 0,0346 J/cm² ved 1000 pulser), og skademorfologien (ablasjon, sprut, etc.) forverres med kumulative pulser. Kjernen i studien er å etablere et kvantitativt forhold mellom pulsparametere (pulsbredde, antall) og AMG-skader, noe som gir teoretisk og eksperimentell støtte for utvikling av laserresistente optiske belegg.
03 Grafisk analyse
Figur 1 viser intuitivt kjerneenergioverføringsprosessen for interaksjonen mellom pikosekundlaser og aluminiumsfilmgitter (AMG). Som vist, når den ultraraske laseren faller inn, absorberer de frie elektronene i metallet først fotonenergien raskt og eksiteres, og danner et elektronsystem med høy-temperatur; deretter overfører de eksiterte elektronene energi til gitteret trinn for trinn gjennom elektron-fononkobling og fonon-fononspredningsprosesser, noe som til slutt forårsaker endringer i gittertemperaturen. Denne prosessen bryter den termiske likevekten mellom elektroner og gitteret og er den grunnleggende energikilden til laser-indusert skade, og gir det fysiske rammeverket for den påfølgende etableringen av den to-temperaturmodellen (TTM).
Figur 2, basert på streng koblet-bølgeanalyse (RCWA), viser at ved en bølgelengde på 1030 nm er det elektriske feltintensiteten høyere ved gitterrygghjørnene, og danner "hot spots" som avslører sannsynlige initieringspunkter for skade. AMG-transmisjon, refleksjon og absorpsjonsspektra indikerer at økning av gitterperioden øker energiabsorpsjonen ved forskjellige bølgelengder, noe som øker risikoen for materiell skade. SEM-bilder viser åpenbare skader ved AMG-rygghjørnene, i samsvar med "hot spot"-plasseringene for det elektriske feltet, som validerer nøyaktigheten til RCWA-simuleringene.
Figur 3 kvantifiserer utviklingen av elektron- og gittertemperaturer i AMG under pikosekunders lasereksponering ved bruk av en to-temperaturmodell: ved en pulsbredde på 10 ps, når laserenergitettheten når 0,076 J/cm², stiger gittertemperaturen til smeltepunktet til den simulerte aluminiumsskaden,{9} som representerer 33 Kpuls, ( terskel for 10 ps; ved en fast energitetthet er toppelektrontemperaturen for en 2 ps kort puls mye høyere enn for en 15 ps lang puls (ettersom kortere pulser avsetter energi raskere og konsentrerer elektronenergi); under en pulsbredde på 10 ps med en repetisjonshastighet på 1 kHz, synker skadeterskelen etter 10 pulser til 0,0598 J/cm² på grunn av termisk akkumulering, som er lavere enn enkelt-pulsterskelen.
I figur 4 oppnår det eksperimentelle oppsettet presis kontroll av laserparametere og sann-tidsobservasjon av skade gjennom en energikontrollmodul som består av en 2-15 ps avstembar pulsbreddelaserkilde, en halv-bølgeplate og en polarisator, så vel som en sann-tidsfeltovervåkingsmodul med et mørketidsfelt; kurven viser at innenfor pulsbreddeområdet på 2-15 ps, er AMG-skadeterskelen lavest ved 10 ps (eksperimentell verdi 0,0705 J/cm², svært konsistent med den simulerte verdien på 0,076 J/cm²); underfigur (c) viser at under en pulsbredde på 10 ps, når antall pulser øker fra 1 til 1000, utvides AMG-skadeområdet gradvis og materialsprut blir stadig mer alvorlig, noe som tydelig gjenspeiler multipulsakkumuleringseffekten.
Konklusjon:
Denne studien kombinerer teori (RCWA+TTM) og eksperimenter for å klargjøre skadeoppførselen til AMG under pikosekundlasere: RCWA identifiserer rygghjørner nøyaktig som sårbare områder, TTM simulerer effektivt elektron-gitterdynamikk for å forutsi skadeterskler, og eksperimenter bekrefter at 10 ps er den laveste skadeterskelen til (den synergultistiske skadeterskelen) elektron-fononrelaksasjon, gittertermisk diffusjonsbegrensning og transient absorpsjon). Det er betydelig kumulativ effekt under 1 kHz multi-pulsbestråling, med en synkende skadeterskel og forverring av morfologisk skade etter hvert som antall pulser øker. Selv om TTM ikke fullt ut reproduserer de absolutte eksperimentelle verdiene på grunn av å neglisjere materialdefekter, faseendringsdynamikk (som fordampning) og mekaniske effekter (som termisk stress), gir det fortsatt et enhetlig analytisk rammeverk for samspillet mellom strukturerte metallfilmer og ultraraske lasere. Funnene er av betydelig veiledning for å forbedre holdbarheten til høy-lasersystemer og optiske presisjonskomponenter, utforming av laserbeskyttelse i romfarts- og industriell laserbehandling, og gir nøkkelbevis for å optimalisere materialene og strukturene til{10} laserbestandige filmer.
