Ett gemensamt forskarlag under ledning av professor Zhang Peilei från Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University och Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. publicerade en forskningsartikel med titeln "Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosecond laser multi-}international Mathematics Modeling journaling pulse." Teamet etablerade en multifysisk modell som kopplar samman elektromagnetisk teori, transient termofysik och hydrodynamik och använde en puls-}för-puls iterativ strategi för att studera utvecklingsprocessen av laser-inducerade periodiska ytstrukturer (LIPSS) på titanlegeringsytor. Genom att kombinera experimentell verifiering och numerisk simulering avslöjade teamet den fysiska mekanismen för nanostrukturbildning och -evolution under den synergistiska effekten av Marangoni-flödet och rekyltrycket under morfologins återkopplingsmekanism.
01
Introduktion
Laser-inducerade periodiska ytstrukturer (LIPSS) är ett fysiskt fenomen som kan generera periodiska strukturer på ytorna av olika material (metaller, halvledare, etc.) och som har studerats omfattande. LIPSS klassificeras generellt i två typer: LIPSS med en period nära laservåglängden (LSFL) och LIPSS med en period som är mycket mindre än laservåglängden (HSFL). För klassisk LSFL är bildningsmekanismen allmänt accepterad som ett resultat av interferens mellan infallande laser och ytplasmonpolaritoner (SPP) exciterade på materialytan (elektromagnetisk teori). Även om elektromagnetisk teori förklarar perioden och riktningen för LSFL, beskriver den bara den statiska initiala energiavsättningen och förklarar inte den dynamiska utvecklingen av materialet i ett laser-inducerat smält tillstånd. Migrationsprocessen av materia i smält tillstånd omformar ytmorfologin till en periodisk kombination av toppar och dalar.
Femtosekundlaserbearbetning har unika fördelar inom området för mikro- och nano-tillverkning på grund av dess höga bearbetningsprecision och lilla värmepåverkade-zon. Dess ultrakorta pulsbredd koncentrerar laserenergin på materialytan på extremt kort tid, vilket genererar en icke-termisk jämviktsfasövergång. Elektronernas värmeledningsförmåga och elektron-fononkopplingsstyrka dominerar överföringen och relaxationen av elektromagnetisk energi som avsätts i materialet under ultrasnabba processer. Dessa faktorer är de grundläggande orsakerna till skillnaderna i LIPSS-morfologi som observerats på olika material. LIPSS-bildning är dock en kumulativ multi-pulsprocess, där ytmorfologin som genereras av varje puls fungerar som det initiala gränsvillkoret för nästa puls. Dessutom uppvisar regelbundenheten hos LIPSS ett starkt beroende av materialegenskaper. Tidigare numeriska simuleringar har sällan beaktat påverkan av ytmorfologi som genererats av tidigare pulser på efterföljande pulser i multi-puls, multi-fysikmiljöer. Förändringar i materialytmorfologi under multi-pulsförhållanden leder till temperaturfältsinhomogenitet, vilket i sin tur påverkar omfördelningen av smält vätska som induceras av temperaturgradienter. Detta kräver en kvantitativ analys och diskussion av LIPSS-utvecklingsprocessen från ett puls-för-pulsperspektiv.
Laser- och elektronstrålebehandling
02
Simuleringsmetoder
För att studera den kumulativa utvecklingen av LIPSS under multi-puls femtosekundlaserbestrålning och den relaterade positiva återkopplingsmekanismen, sönderdelar simuleringsarbetsflödet laser-materiainteraktionen för en enstaka puls i tre kopplade steg: elektromagnetiska fältberäkningar, termodynamisk utveckling och vätskedynamik som sedan upprepas i den. I denna studie fokuserar vi på evolutionsprocessen utgående från en deterministisk yta. Simuleringen börjar med ett idealiskt, jämnt plan, där ablationsgropar genererade av laserparametrar och materialrespons betraktas som den "effektiva grovheten" för efterföljande elektromagnetisk koppling. I denna modell representeras denna effektiva ojämnhet av simulerad ytablation, en metod som eliminerar osäkerheter förknippade med slumpmässig initial ytjämnhet, vilket gör att vi kan studera hur LIPSS bildas och fortplantar sig vid ablationskanterna och inuti ytan.
03
Ytmorfologisk feedback
Under multi-puls femtosekundlaserbestrålning är bildningen av LIPSS inte en enkel överlagring av ett enda fysiskt fält, utan en dynamisk evolutionsprocess där ytmorfologins inverkan från tidigare pulser interagerar med den för efterföljande pulser. Figur 2 visar utvecklingen av materialytans morfologi och motsvarande rumsfördelning av det elektriska fältet under flera pulser. För den initiala pulsen (N=1) är den elektriska fältfördelningen på den släta materialytan likformig i sidled och uppvisar huvudsakligen ett stående vågmönster som bildas av interferens av infallande och reflekterat ljus. När antalet pulser ökar (N=20, N=30), utvecklas den initialt släta ytan till grunda ablationsgropar. Det icke-plana gränssnittet bryter symmetrin i planet och tillhandahåller den spridda-planvågsvektorkomponenten, vilket leder till svag SPP-excitation vid metall-luftgränssnittet. När antalet pulser ökar ytterligare (N=40, N=50), fungerar de periodiska spåren som uppträder som mer effektiva diffraktionsgitter, vilket resulterar i starkare SPP-koppling. Som visas i den förstorade vyn vid N=50 genererar interferensen mellan SPP och efterföljande infallande ljus rumsliga lokala elektromagnetiska hotspots i spåren, där det elektriska fältets intensitet är betydligt högre än det infallande fältets intensitet.
Figur 3 illustrerar utvecklingen av materialytmorfologin och motsvarande toppgittertemperaturfördelning under olika antal pulser (N=1-50). I det inledande skedet (N=1-10) bildas ablationsgropar på den plana ytan. Vid denna tidpunkt är yttemperaturen jämnt fördelad i sidled, och motsvarande temperaturfördelning uppvisar en låg och bred topp, vilket återspeglar den Gaussiska fördelningen av laserenergin. När antalet pulser ökar (N=20-50) uppträder gradvis en periodisk temperaturfördelning med hög-kontrast, i överensstämmelse med uppkomsten av periodiska ytstrukturer. Den högsta gittertemperaturen är koncentrerad i dalarna i dessa periodiska strukturer, medan temperaturen vid topparna förblir relativt låg. Temperaturfördelningsdiagrammet visar att när antalet pulser ökar, blir amplituden för denna temperaturmodulering mer uttalad, och topptemperaturen ökar gradvis. Genom att kombinera detta med utvecklingen av den elektriska fältfördelningen som visas i figur 2, kan gittertemperaturfördelningen under flera pulser förklaras av en elektromagnetisk termisk återkopplingsmekanism. Elektromagnetiska heta fläckar som finns i dalarna bildar rumsligt o{13}}enhetliga värmekällor, vilket i slutändan genererar ett periodiskt gittertemperaturfält som motsvarar ytmorfologin.
04
Vätskeflöde under smältsteget
Femtosekundlaserpulsenergi överförs till gittret via elektron-fononkoppling. När gittertemperaturen når smältpunkten bildas ett övergående smält skikt på materialytan. Den efterföljande utvecklingen av LIPSS på en pikosekund tidsskala styrs inte bara av statisk ablation utan också av den hydrodynamiska transporten inom detta smälta skikt. I denna modell är periodicitet fördefinierad av elektromagnetisk energiavsättning, medan Marangoni-spänning och rekyltryck främst driver omfördelningen och avlägsnandet av det smälta materialet. Figurerna 4, 5 och 6 visar vätskeflödestrenderna under smältsteget av en multi-pulsprocess (N=20-40) när den periodiska strukturen utvecklas från grunt till djupt. I detta skede har gittertemperaturen överskridit smältpunkten men har ännu inte nått förångningstemperaturen. I dessa tre figurer representerar a1 och a2 topparna i den periodiska strukturen, medan a3 och a4 representerar dalgångarna. Som visas i figur 4, i de tidiga stadierna av periodisk strukturbildning (N=20), har ett periodiskt temperaturfält etablerats på ytan och en vågig struktur börjar uppträda. I dalområdena med de högsta temperaturerna (Fig. 4(c)), driven av ytspänningsgradienten, gör Marangoni-effekten att den smälta ytvätskan flyter med hög hastighet från dalens centrum till intilliggande toppar. Omvänt, i krönområdena med de lägsta temperaturerna (Fig . 4(b)), observeras vätska från intilliggande dalar konvergera och ackumuleras uppåt. En jämförelse av dessa regioner avslöjar högt-divergerande flöde i dalarna och låghastighetskonvergerande flöde i topparna. Som visas i flödesfälten i fig . 4(b) och (c), orsakar flödet av ytvätska mot topparna ett tillbakaflöde djupare in i den smälta poolen, som återvänder underifrån toppen till dalen. Denna kombination av utåtgående ytflöde och inåtgående bottenflödessjälv-organiseras i ett par typiska Marangoni-virvlar inom varje krön och dal av den periodiska strukturen. Genom att jämföra figurerna kan man se från fig. . 4, 5 och 6 att när dalarna fördjupas, begränsas ytvätskan gradvis inom dem (fig. . 4(c), 5(c) och 6(c)). Djupare dalar motsvarar starkare lokala elektriska fält, vilket undertrycker lateral termisk diffusion från dalen till intilliggande toppar. Detta resulterar i att en brantare temperaturgradient upprätthålls inom dalarna. Därför, eftersom krafterna som driver vätskerörelsen beror på temperaturen, blir dessa krafter alltmer begränsade i dalarna. Ur perspektivet att öka antalet pulser betyder detta att energin från efterföljande pulser används för att fördjupa befintliga spår, snarare än att ta bort redan bildade toppar eller bygga nya strukturer. Följaktligen ökar höjdskillnaden mellan toppar och dalar kontinuerligt, vilket leder till en gradvis fördjupning av den periodiska strukturen.
05
Simuleringsverifiering
För att illustrera bildningsprocessen av periodiska ytstrukturer som drivs av den synergistiska effekten av elektromagnetiska effekter och vätskeflöde under multi-pulsbestrålning, jämfördes den ytmorfologiska utvecklingen som observerades i det linjära skanningsexperimentet med resultaten av den iterativa multifysikmodellen, som visas i figur 7. I det initiala materialet i experimentet täcktes den slumpmässiga ytan i pulsen huvudsakligen av slumpmässig yta av ingen puls. genereras av ablation-återavsättning och transport av smält vätska. I simuleringen använde vi den fysiska ekvivalenta startpunkten för LIPSS-evolution, nämligen laser-inducerade ablationsgropar. Både slumpmässiga nanopartiklar och ablationsgropar kan fungera som spridningsgränser för efterföljande pulser, och därigenom excitera SPP. Efterföljande pulser etablerar ett periodiskt temperaturfält på denna icke-plana yta genom SPP-interferens, vilket driver omfördelningen av smält material under denna period. Sedan börjar Marangoni-kraften och rekyltrycket att driva omfördelningen av smält vätska, vilket främjar bildandet av LIPSS.
För att bättre validera simuleringsresultaten jämfördes LIPSS under enpunkts femtosekundlaserbelysning med de numeriska simuleringsresultaten. Såsom visas i figur 8 uppvisar de två en hög grad av konsistens i rumslig periodicitet. För att kvantifiera denna period extraherades lokala gråskalekonturer av SEM-bilden längs riktningen vinkelrät mot LIPSS, vilket gav en genomsnittlig period på cirka 980 nm för den experimentella strukturen. Figur 8(b) visar den simulerade tvärsnittskonturen- i samma rumsliga skala. Genom att kartlägga den simulerade ytkonturen på SEM-bilden med samma koordinater och skala, observerades att de rumsliga positionerna för de simulerade topparna och dalarna nära motsvarar de ljusa och mörka ränderna i SEM-bilden. Den simulerade perioden är cirka 960 nm, vilket stämmer utmärkt överens med de experimentella resultaten uppmätta med konturmetoden.
06
Slutsats
Denna studie konstruerade en multifysikmodell baserad på elektromagnetisk teori, vätskedynamikteori och materials termofysiska egenskaper genom numerisk simulering. Den förklarade från början till slut bildandet av periodiska strukturer på metallytor som drivs av den synergistiska effekten av elektromagnetiska effekter och vätskeflödesinstabilitet under fler-puls femtosekundlaserbehandling. Genom successiva pulsiterationer av simulering på materialytan och jämförande analys av simuleringsresultat med experimentella resultat drar vi slutsatsen att bildandet av LIPSS är resultatet av den synergistiska effekten av elektromagnetisk och vätskedynamik.
Interaktionen mellan den infallande femtosekundlasern och materialytan, i närvaro av ytjämnhet, exciterar SPPs som stör det infallande ljuset. Denna process genererar rumsligt periodisk och o-enhetlig energiavsättning på materialytan. Vi bekräftade att denna nödvändiga ytjämnhet kan vara ablationsgropar orsakade av själva lasern, vilket kan fungera som gränsvillkor för spännande SPP. Ytmorfologin som bildas av tidigare pulser fungerar som ett diffraktionsgitter för efterföljande pulser, vilket förbättrar SPP-kopplingseffektiviteten. När denna periodiska energi väl har absorberats av materialet omvandlas den snabbt till ett motsvarande gittertemperaturgradientfält och bildar ett övergående smält lager på ytan. Detta extremt tunna smälta skikt, påverkat av den periodiska temperaturgradienten, är fysiskt mycket instabilt och aktiverar därigenom vätsketransport som kontrollerar materialmigrering. Under smältsteget migrerar Marangoni-kraften, driven av ytspänning, den smälta vätskan från hög-temperaturtråg till låg-temperaturtopp, vilket bildar ett hög-divergerande flöde i dalarna och ett konvergerande-låghastighetsflöde i topparna. När antalet pulser ökar fördjupas trågen gradvis och ytvätskan begränsas gradvis till rännorna. Under förångningssteget åtföljs den ytterligare ökningen av gittertemperaturen av en ytterligare ökning av rekyltrycket. Vid denna punkt fungerar rekyltrycket som den dominerande mekanismen som driver vätskan och använder starkare kraft för att driva vätskan från trågens yta nedåt till underytan, samtidigt som vätskan förskjuts i sidled till topparna.
