Yon ekip rechèch konjwen ki te dirije pa Pwofesè Zhang Peilei nan Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University, ak Amplitude Suzhou Laser Co, Ltd te pibliye yon papye rechèch ki rele "Electromagnetic-couplage idrodinamik ak fidbak mòfoloji nan fòmasyon ak evolisyon LIPSS sou metal anba femtosecond lazè milti-pulse irradyasyon entènasyonal Model Mathematical Journal Applied ". Ekip la te etabli yon modèl miltifizik ki konekte teyori elektwomayetik, tèmofizik pasajè, ak idrodinamik, epi li te itilize yon estrateji iteratif batman -pa{-puls pou etidye pwosesis evolisyon estrikti sifas peryodik lazè-induit (LIPSS) sou sifas alyaj Titàn. Konbine verifikasyon eksperimantal ak simulation nimerik, ekip la te revele mekanis fizik fòmasyon nanostruktur ak evolisyon anba efè sinèrjetik koule Marangoni ak presyon rkul anba mekanis fidbak mòfoloji a.
01
Entwodiksyon
Lazè-Estrikti Sifas Peryodik (LIPSS) se yon fenomèn fizik ki ka jenere estrikti peryodik sou sifas divès kalite materyèl (metal, semi-conducteurs, elatriye) epi yo te etidye anpil. LIPSS yo jeneralman klase an de kalite: LIPSS ak yon peryòd tou pre longèdonn lazè (LSFL) ak LIPSS ak yon peryòd ki pi piti pase longèdonn lazè (HSFL). Pou LSFL klasik, se mekanis fòmasyon an lajman aksepte kòm rezilta nan entèferans ant lazè a ensidan ak polariton plasmon sifas (SPPs) eksite sou sifas la materyèl (teyori elektwomayetik). Malgre ke teyori elektwomayetik eksplike peryòd ak direksyon LSFL, li sèlman dekri depo enèji estatik inisyal la epi li pa eksplike evolisyon dinamik materyèl la nan yon eta fonn lazè-pwovoke. Pwosesis migrasyon matyè yo nan eta fonn lan chanje mòfoloji sifas la nan yon konbinezon peryodik pik ak depresyon.
Pwosesis lazè Femtosecond gen avantaj inik nan domèn mikwo{0}} ak nano-fabrikasyon akòz gwo presizyon pwosesis li yo ak ti chalè-zòn ki afekte yo. Lajè batman kè ultrashort li konsantre enèji lazè sou sifas materyèl la nan yon tan trè kout, jenere yon tranzisyon faz ki pa -ekilib tèmik. Elektwon tèmik konduktiviti ak elektwon -fòs kouple fonon domine transmisyon ak detant enèji elektwomayetik ki depoze nan materyèl la pandan pwosesis ultrarapid. Faktè sa yo se rezon fondamantal pou diferans ki genyen nan mòfoloji LIPSS yo obsève sou divès kalite materyèl. Sepandan, fòmasyon LIPSS se yon pwosesis kimilatif milti-batman kè, ak mòfoloji sifas ki te pwodwi pa chak batman kè aji kòm kondisyon limit inisyal la pou pwochen batman kè a. Anplis de sa, regilarite LIPSS montre yon gwo depandans sou pwopriyete materyèl yo. Simulasyon nimerik anvan yo te raman konsidere enfliyans mòfoloji sifas ki te pwodwi pa pulsasyon anvan yo sou pulsasyon ki vin apre yo nan milti-batman kè, milti- anviwònman fizik. Chanjman nan mòfoloji sifas materyèl anba kondisyon milti-batman kè yo mennen nan inhomogeneity jaden tanperati, ki an vire afekte redistribisyon nan likid fonn pwovoke pa gradyan tanperati. Sa a mande yon analiz quantitative ak diskisyon sou pwosesis evolisyon LIPSS la nan yon pèspektiv batman -pa-batman kè.
Lazè & Elektwon Beam Processing
02
Metòd simulation
Pou etidye evolisyon kimilatif LIPSS anba iradyasyon lazè femtosecond milti-batman kè ak mekanis ki gen rapò ak fidbak pozitif, workflow simulation dekonpoze entèraksyon lazè-matyè yon sèl batman kè nan twa etap makonnen: kalkil jaden elektwomayetik, evolisyon tèrmodinamik, ak dinamik likid, ki repete nan simulation iteratif. Nan etid sa a, nou konsantre sou pwosesis evolisyon an kòmanse nan yon sifas detèminist. Simulation a kòmanse ak yon plan ideyal, lis, kote twou ablasyon ki te pwodwi pa paramèt lazè ak repons materyèl yo konsidere kòm "efikas brutality" pou kouti elektwomayetik ki vin apre. Nan modèl sa a, brutality efikas sa a reprezante pa ablasyon sifas simulation, yon metòd ki elimine ensètitid ki asosye ak brutality sifas inisyal o aza, ki pèmèt nou etidye ki jan LIPSS fòme ak pwopagasyon nan kwen ablation ak nan sifas la.
03
Sifas Morfoloji Feedback
Anba iradyasyon milti-batman kè femtosecond lazè, fòmasyon LIPSS la se pa yon senp sipèpozisyon yon sèl jaden fizik, men se yon pwosesis evolisyon dinamik kote enfliyans mòfoloji sifas nan pulsasyon anvan yo reyaji ak sa ki nan pulsasyon ki vin apre yo. Figi 2 montre evolisyon mòfoloji sifas materyèl la ak distribisyon espasyal korespondan jaden elektrik la anba miltip pulsasyon. Pou batman kè inisyal la (N=1), distribisyon an jaden elektrik sou sifas la materyèl lis se lateralman inifòm, sitou montre yon modèl vag kanpe ki te fòme pa entèferans nan ensidan an ak limyè reflete. Kòm kantite pulsasyon yo ogmante (N=20, N=30), sifas okòmansman lis la evolye nan twou ablasyon ki pa fon. Koòdone ki pa-planè a kraze simetri avyon an epi li bay eleman vektè vag ki gaye nan-plan, ki mennen nan eksitasyon SPP fèb nan koòdone lè metal-. Kòm kantite pulsasyon yo ogmante plis (N=40, N=50), siyon peryodik ki parèt yo aji kòm griyaj difraksyon ki pi efikas, sa ki lakòz kouple SPP pi fò. Jan yo montre nan gade agrandi nan N=50, entèferans ki genyen ant SPP a ak limyè ensidan ki vin apre a jenere otspo elektwomayetik lokal espasyal nan siyon yo, kote entansite jaden elektrik la siyifikativman pi wo pase entansite jaden ensidan an.
Figi 3 montre evolisyon mòfoloji sifas materyèl la ak distribisyon tanperati pik lasi ki koresponn lan anba diferan kantite pulsasyon (N=1-50). Nan premye etap la (N=1-10), twou ablasyon fòme sou sifas plat la. Nan moman sa a, tanperati sifas la byen distribye lateralman, ak distribisyon tanperati ki koresponn lan montre yon pik ki ba ak lajè, ki reflete distribisyon Gaussian enèji lazè a. Kòm kantite pulsasyon ogmante (N=20-50), yon gwo -distribisyon tanperati peryodik kontras parèt piti piti, ki konsistan avèk aparisyon estrikti sifas peryodik yo. Tanperati lasi ki pi wo a konsantre nan fon estrikti peryodik sa yo, pandan y ap tanperati a nan tèt yo rete relativman ba. Konplo distribisyon tanperati a montre ke kòm kantite pulsasyon ogmante, anplitid modulation tanperati sa a vin pi pwononse, ak tanperati pik la ogmante piti piti. Lè w konbine sa a ak evolisyon distribisyon jaden elektrik yo montre nan Figi 2, distribisyon tanperati lasi anba miltip pulsasyon ka eksplike pa yon mekanis elektwomayetik tèmik fidbak. Tach cho elektwomayetik ki sitiye nan fon yo fòme sous chalè ki pa-espasyalman inifòm, finalman jenere yon jaden tanperati lasi peryodik ki koresponn ak mòfoloji sifas la.
04
Koule likid pandan etap la k ap fonn
Enèji batman lazè femtosecond transfere nan lasi a atravè kouple elèktron-fonon. Yon fwa tanperati lasi a rive nan pwen k ap fonn, yon kouch fonn pasajè fòme sou sifas materyèl la. Evolisyon ki vin apre nan LIPSS sou yon echèl pikosecond kontwole pa sèlman pa ablasyon estatik, men tou pa transpò idrodinamik nan kouch fonn sa a. Nan modèl sa a, peryodikite predefini pa depo enèji elektwomayetik, pandan y ap Marangoni estrès ak presyon rkul prensipalman kondwi redistribisyon an ak retire nan materyèl la fonn. Figi 4, 5, ak 6 montre tandans koule likid yo pandan etap k ap fonn nan yon pwosesis milti-puls (N=20-40) pandan estrikti peryodik la ap evolye soti nan fon rive nan fon. Nan etap sa a, tanperati lasi a depase pwen k ap fonn men li poko rive nan tanperati vaporizasyon an. Nan twa figi sa yo, a1 ak a2 reprezante pik estrikti peryodik la, pandan y ap a3 ak a4 reprezante depresyon yo. Jan yo montre nan Figi 4, nan premye etap fòmasyon estrikti peryodik (N=20), yo te etabli yon jaden tanperati peryodik sou sifas la, epi yon estrikti tranble kòmanse parèt. Nan rejyon fon yo ki gen tanperati ki pi wo yo (figi . 4(c)), kondwi pa gradyan tansyon sifas la, efè Marangoni lakòz likid sifas fonn koule nan gwo vitès soti nan sant fon an nan pik adjasan yo. Kontrèman, nan rejyon krèt yo ki gen tanperati ki pi ba yo (Fig. 4(b)), yo obsève likid ki soti nan fon adjasan yo konvèje ak akimile anlè. Yon konparezon nan rejyon sa yo revele gwo-vitès koule divergent nan depresyon yo ak ba-koule konvèje nan krèt yo. Jan yo montre nan jaden koule Fig. 4(b) ak (c), koule nan likid sifas nan direksyon krèt yo lakòz yon rflu pi fon nan pisin nan fonn, retounen soti anba pik la nan fon an. Konbinezon sa a nan koule sifas deyò ak koule anndan anba pwòp tèt ou -òganize nan yon pè toubiyon Marangoni tipik nan chak krèt ak depresyon nan estrikti peryodik la. Lè w konpare figi yo, ou ka wè nan Figi . 4, 5, ak 6 ke pandan fon yo ap pwofonde, likid sifas la piti piti fèmen nan yo (Fig. 4(c), 5(c), ak 6(c)). Fon ki pi fon yo koresponn ak pi fò jaden elektrik lokal yo, kidonk siprime difizyon tèmik lateral soti nan fon an nan pik adjasan yo. Sa a lakòz yon gradyan tanperati pi ap kenbe nan fon yo. Se poutèt sa, piske fòs ki kondwi mouvman likid yo depann de tanperati a, fòs sa yo vin de pli zan pli fèmen nan fon yo. Soti nan pèspektiv nan ogmante kantite pulsasyon, sa vle di ke enèji a nan pulsasyon ki vin apre yo itilize apwofondi rainures ki deja egziste, olye ke ablate pik deja fòme oswa bati nouvo estrikti. Kontinwe, diferans nan wotè ant pik ak fon kontinyèlman ogmante, ki mennen ale nan yon grandisan gradyèl nan estrikti peryodik la.
05
Verifikasyon simulation
Pou ilistre pwosesis fòmasyon estrikti sifas peryodik kondwi pa efè sinèrjik efè elektwomayetik ak koule likid anba iradyasyon milti-batman kè, yo te konpare evolisyon mòfoloji sifas yo obsève nan eksperyans optik lineyè a ak rezilta modèl iteratif multifizik la, jan yo montre nan Figi 7. Nan etap inisyal la nan akimilasyon batman kè nan eksperyans la, sifas prensipal la te kouvri pa nanop atik ki te kouvri pa aza. ablasyon-redepozisyon ak transpò likid fonn. Nan simulasyon an, nou te itilize pwen ekivalan fizik evolisyon LIPSS la, sètadi twou ablasyon lazè-pwovoke. Tou de nanopatikil o aza ak twou ablation ka sèvi kòm limit gaye pou pulsasyon ki vin apre, kidonk eksitan SPP. Puls ki vin apre yo etabli yon jaden tanperati peryodik sou sifas ki pa-planè sa a atravè entèferans SPP, ki mennen nan redistribisyon materyèl fonn pandan peryòd sa a. Lè sa a, fòs Marangoni ak presyon rkul kòmanse kondwi répartition nan likid fonn, kidonk ankouraje fòmasyon nan LIPSS.
Pou pi byen valide rezilta simulation yo, yo te konpare LIPSS anba yon sèl -pwen lumières lazè femtosecond ak rezilta simulation nimerik yo. Jan yo montre nan Figi 8, de yo montre yon wo degre de konsistans nan peryodikite espasyal. Pou mezire peryòd sa a, yo te ekstrè kontou lokal gri nan imaj SEM a sou direksyon pèpandikilè a LIPSS la, ki bay yon peryòd mwayèn apeprè 980 nm pou estrikti eksperimantal la. Figi 8(b) montre kontou kwa-simule a nan menm echèl espasyal la. Lè yo fè kat kontou sifas simulation sou imaj SEM a nan menm kowòdone ak echèl yo, li te obsève ke pozisyon espasyal yo nan tèt yo simulation ak fon yo byen koresponn ak bann yo klere ak nwa nan imaj la SEM. Peryòd la simulation se apeprè 960 nm, ki an akò ekselan ak rezilta eksperimantal yo mezire lè l sèvi avèk metòd la kontou.
06
Konklizyon
Etid sa a konstwi yon modèl miltifizik ki baze sou teyori elektwomayetik, teyori dinamik likid, ak pwopriyete tèrmofizik materyèl atravè simulation nimerik. Li te eksplike depi nan kòmansman pou fini fòmasyon nan estrikti peryodik sou sifas metal kondwi pa efè a sinèrji nan efè elektwomayetik ak enstabilite koule likid anba milti -batman kè femtosecond tretman lazè. Atravè iterasyon batman kè siksesif nan simulation sou sifas materyèl la ak analiz konparatif nan rezilta simulation ak rezilta eksperimantal, nou konkli ke fòmasyon nan LIPSS se rezilta nan efè a sinèrjetik nan dinamik elektwomayetik ak likid.
Entèraksyon ki genyen ant lazè femtosecond ensidan an ak sifas materyèl la, nan prezans brutality sifas, eksite SPP ki entèfere ak limyè ensidan an. Pwosesis sa a jenere depo enèji peryodik epi ki pa inifòm sou sifas materyèl la. Nou konfime ke brutality nesesè sifas sa a ka ablation twou ki te koze pa lazè a tèt li, ki ka sèvi kòm kondisyon fwontyè pou SPP enteresan. Mòfoloji sifas ki te fòme pa pulsasyon anvan yo aji kòm yon griyaj difraksyon pou pulsasyon ki vin apre yo, amelyore efikasite nan kouple SPP. Yon fwa ke enèji peryodik sa a absòbe materyèl la, li rapidman transfòme nan yon jaden gradyan tanperati lasi korespondan, fòme yon kouch fonn pasajè sou sifas la. Kouch fonn trè mens sa a, enfliyanse pa gradyan tanperati peryodik la, se fizikman trè enstab, kidonk aktive transpò likid ki kontwole migrasyon materyèl. Pandan etap k ap fonn nan, fòs Marangoni a, ki te kondwi pa tansyon sifas yo, imigre likid ki fonn ki soti nan gwo -tanperati pou ale nan krèt tanperati ki ba-, sa ki fòme yon gwo-koule divèjan nan depresyon yo ak yon vitès ki ba-koule konvèje nan krèt yo. Kòm kantite pulsasyon ogmante, depresyon yo piti piti apwofondi, epi likid sifas la piti piti fèmen nan depresyon yo. Pandan etap nan vaporizasyon, plis ogmantasyon nan tanperati lasi akonpaye pa yon ogmantasyon plis nan presyon rkul. Nan pwen sa a, presyon rkul aji kòm mekanis nan dominan kondwi likid la, lè l sèvi avèk fòs pi fò nan kondwi likid la soti nan sifas la nan depresyon yo desann nan anba sifas la, pandan y ap tou lateralman deplase likid la nan krèt yo.
