01 Pappersintroduktion
Optiska tunna filmer (enkel-/flerskiktsbeläggningar eller galler) används ofta i bildskärmar, lasersystem, medicinsk utrustning och flyg. Läges-låsning och chirped puls amplification (CPA)-tekniker som driver pikosekund/femtosekund ultrasnabba lasrar, även om expanderande applikationer som materialbearbetning på grund av hög toppeffekt, också orsakar laser-inducerad skada på grund av icke-termisk foton-absorption, avelektroninteraktion, etc. (multifotoninteraktion, etc.), etc. blir en stor begränsande faktor för livslängden för optiska komponenter. Metallfilmgitter, med sin breda reflektionsförmåga, är avgörande i scenarier som CPA-laserpulskomprimering, men existerande forskning har inte noggrant undersökt sambandet mellan pulslängd (särskilt detaljerna nära den lägsta skadetröskeln), multipla pulser och skadetröskel, och inte heller tillräckligt beaktat den tidsmässiga variationen av lokala elektriska fälteffekter och optiska egenskaper. Därför undersöker denna studie, genom teoretiska beräkningar och experiment, skademekanismerna för aluminiumfilmgitter (AMG) under 2-15 ps pikosekunders laserbestrålning, och definierar skadetröskeln som den minsta laserfluens som inducerar permanenta morfologiska förändringar, medan den "kumulativa effekten" hänvisar till de upprepade elektroniska, gradvisa förändringarna i materialet, mekaniska eller mekaniska egenskaper.
02 Fulltextöversikt
Den här studien fokuserar på AMG, och analyserar systematiskt pulslängden för pikosekundlasrar och de kumulativa skadeeffekterna av flera pulser: För det första används rigorös kopplad-våganalys (RCWA) för att simulera den lokala elektriska fältfördelningen, vilket identifierar gitterkantens hörn som de mest sårbara områdena; sedan karakteriserar den två-temperaturmodellen (TTM) den ultrasnabba dynamiken hos elektroner och gitter, kombinerat med aluminiumparametrar som latent smältvärme, för att förutsäga trösklar för enkel-puls och multi-pulsskada; experimentellt sätts en plattform med ett realtidsbildsystem upp för att mäta skadetröskelvärden med hjälp av 2-15 ps avstämbara pulsbreddslasrar, för att hitta den lägsta AMG-skadetröskeln vid 10 ps (experimentellt värde 0,0705 J/cm²), samtidigt som man använder en 1 kHz-pulsfrekvens på 00dira upprepning. experiment, observeras att skadetröskeln minskar progressivt med ökande pulsantal (sjunker till 0,0346 J/cm² vid 1000 pulser), och skademorfologin (ablation, stänk, etc.) förvärras med kumulativa pulser. Kärnan i studien är att etablera ett kvantitativt samband mellan pulsparametrar (pulsbredd, antal) och AMG-skador, vilket ger teoretiskt och experimentellt stöd för utvecklingen av laserresistenta optiska beläggningar.
03 Grafisk analys
Figur 1 visar intuitivt kärnenergiöverföringsprocessen för interaktionen mellan pikosekundlaser och aluminiumfilmgitter (AMG). Som visas, när den ultrasnabba lasern infaller, absorberar de fria elektronerna i metallen först snabbt fotonenergi och exciteras och bildar ett högtemperaturelektronsystem; därefter överför de exciterade elektronerna energi till gittret steg för steg genom elektron-fononkoppling och fonon-fononspridningsprocesser, vilket i slutändan orsakar förändringar i gittertemperaturen. Denna process bryter den termiska jämvikten mellan elektroner och gittret och är den grundläggande energikällan för laser-inducerad skada, vilket ger den fysiska ramen för den efterföljande etableringen av den två-temperaturmodellen (TTM).
Figur 2, baserad på rigorös kopplad-våganalys (RCWA), visar att vid en våglängd på 1030 nm är det elektriska fältets intensitet högre vid gitterkantens hörn, vilket bildar "hot spots" som avslöjar de troliga initieringspunkterna för skada. AMG-transmission, reflektion och absorptionsspektra indikerar att en ökning av gitterperioden förbättrar energiabsorptionen vid olika våglängder, vilket ökar risken för materialskador. SEM-bilder visar uppenbara skador vid AMG-ryggens hörn, i överensstämmelse med det elektriska fältets "hot spot"-platser, vilket validerar RCWA-simuleringarnas noggrannhet.
Figur 3 kvantifierar utvecklingen av elektron- och gittertemperaturer i AMG under pikosekunders laserexponering med hjälp av en två-temperaturmodell: vid en pulsbredd på 10 ps, när laserenergitätheten når 0,076 J/cm², stiger gittertemperaturen till smältpunkten för aluminiumets smältpunkt,{9} vilket representerar 33 Kpulsen,{9} tröskel för 10 ps; vid en fast energitäthet är toppelektrontemperaturen för en 2 ps kort puls mycket högre än den för en 15 ps lång puls (eftersom kortare pulser avsätter energi snabbare och koncentrerar elektronenergin); under en pulsbredd på 10 ps med en repetitionsfrekvens på 1 kHz, sjunker skadetröskeln efter 10 pulser till 0,0598 J/cm² på grund av termisk ackumulering, vilket är lägre än tröskelvärdet för enkel-puls.
I figur 4 uppnår den experimentella uppställningen exakt kontroll av laserparametrar och realtidsobservation av skada genom en energikontrollmodul som består av en 2-15 ps avstämbar pulsbreddslaserkälla, en halv-vågsplatta och en polarisator, såväl som ett realtidsfältsövervakningssystem med ett mörkt fält; kurvan visar att inom pulsbreddsområdet 2-15 ps är AMG-skadetröskeln lägst vid 10 ps (experimentellt värde 0,0705 J/cm², mycket överensstämmande med det simulerade värdet på 0,076 J/cm²); underfigur (c) visar att under en pulsbredd på 10 ps, när antalet pulser ökar från 1 till 1000, expanderar AMG-skadområdet gradvis och materialstänk blir allt allvarligare, vilket tydligt återspeglar multipulsackumuleringseffekten.
Slutsats:
Den här studien kombinerar teori (RCWA+TTM) och experiment för att klargöra skadebeteendet hos AMG under pikosekundlasrar: RCWA identifierar noggrant åshörn som sårbara områden, TTM simulerar effektivt elektron-gitterdynamik för att förutsäga skadetrösklar, och experiment bekräftar att 10 ps är den lägsta skadetröskeln för (synergult-effekttröskeln) elektron-fononrelaxation, termisk diffusionsbegränsning av gitter och transient absorption). Det finns en betydande kumulativ effekt under 1 kHz multi-pulsbestrålning, med en minskande skadetröskel och förvärrade morfologiska skador när antalet pulser ökar. Även om TTM inte helt reproducerar de absoluta experimentella värdena på grund av att materialdefekter, fasförändringsdynamik (såsom förångning) och mekaniska effekter (såsom termisk stress) försummas, ger det fortfarande en enhetlig analytisk ram för interaktionen mellan strukturerade metallfilmer och ultrasnabba lasrar. Resultaten är av betydande vägledning för att förbättra hållbarheten hos hög-lasersystem och optiska precisionskomponenter, designa laserskydd inom flyg- och industriell laserbehandling, och ger nyckelbevis för att optimera materialen och strukturerna i laserbeständiga filmer.{10}
