01 Papirintroduktion
Optiske tynde film (enkelt-/multi--lagsbelægninger eller gitter) er meget udbredt i skærme, lasersystemer, medicinsk udstyr og rumfart. Mode-locking and chirped pulse amplification (CPA)-teknikkerne driver picosecond/femtosecond ultrahurtige lasere, selv om ekspanderende applikationer, såsom materialebehandling på grund af høj spidseffekt, også forårsager laser-induceret skade på grund af ikke-termisk foton-absorption, multifotoninteraktion, osv. bliver en væsentlig begrænsende faktor for optiske komponenters levetid. Metalfilmgitre er med deres brede reflektionsevne afgørende i scenarier som CPA-laserpulskompression, men eksisterende forskning har ikke grundigt undersøgt forholdet mellem pulsvarighed (især detaljerne tæt på minimumsskadetærskel), multiple pulser og skadestærskel, og heller ikke tilstrækkeligt taget i betragtning den tidsmæssige variation af lokale elektriske felteffekter og optiske egenskaber. Derfor undersøger denne undersøgelse, gennem teoretiske beregninger og eksperimenter, skademekanismerne for aluminiumfilmgitter (AMG) under 2-15 ps picosekunders laserbestråling, og definerer skadestærsklen som den minimale laserfluens, der inducerer permanente morfologiske ændringer, mens den 'kumulative effekt' refererer til de gentagne elektroniske, gradvise ændringer i materiale, mekaniske eller mekaniske ændringer i materialet.
02 Fuld tekstoversigt
Denne undersøgelse fokuserer på AMG, der systematisk analyserer pulsvarigheden af picosekund-lasere og de kumulative skadevirkninger af multiple pulser: For det første bruges streng koblet-bølgeanalyse (RCWA) til at simulere den lokale elektriske feltfordeling, hvilket identificerer gitterryggens hjørner som de mest sårbare områder; derefter karakteriserer to-temperaturmodellen (TTM) den ultrahurtige dynamik af elektroner og gitter, kombineret med aluminiumparametre såsom latent fusionsvarme, for at forudsige enkelt-puls og multi-impuls skadetærskler; eksperimentelt sættes en platform med et realtidsbilleddannelsessystem op til at måle skadestærskler ved hjælp af 2-15 ps afstembare pulsbredde-lasere, der finder den laveste AMG-skadetærskel ved 10 ps (eksperimentel værdi 0,0705 J/cm²), mens der bruges en 1 kHz-puls 0-1 puls gentagelseshastighed på 00dira. eksperimenter, observeres det, at skadetærsklen falder progressivt med stigende pulstal (faldende til 0,0346 J/cm² ved 1000 pulser), og skadens morfologi (ablation, sprøjt osv.) forværres med kumulative pulser. Kernen i undersøgelsen er at etablere et kvantitativt forhold mellem pulsparametre (pulsbredde, antal) og AMG-skader, hvilket giver teoretisk og eksperimentel støtte til udviklingen af laserresistente optiske belægninger.
03 Grafisk Analyse
Figur 1 viser intuitivt kerneenergioverførselsprocessen for interaktionen mellem picosecond-laser og aluminiumsfilmgitter (AMG). Som vist, når den ultrahurtige laser er indfaldende, absorberer de frie elektroner i metallet først hurtigt fotonenergi og exciteres, hvilket danner et elektronsystem med høj-temperatur; efterfølgende overfører de exciterede elektroner energi til gitteret trin for trin gennem elektron-fononkobling og fonon-fononspredningsprocesser, hvilket i sidste ende forårsager ændringer i gittertemperaturen. Denne proces bryder den termiske ligevægt mellem elektroner og gitteret og er den fundamentale energikilde til laser-induceret skade, hvilket giver den fysiske ramme for den efterfølgende etablering af den to-temperaturmodel (TTM).
Figur 2, baseret på streng koblet-bølgeanalyse (RCWA), viser, at ved en bølgelængde på 1030 nm er det elektriske felts intensitet højere ved gitterkanthjørnerne og danner "hot spots", som afslører de sandsynlige initieringspunkter for skade. AMG transmission, refleksion og absorptionsspektre indikerer, at forøgelse af gitterperioden øger energiabsorptionen ved forskellige bølgelængder, hvilket øger risikoen for materiel skade. SEM-billeder viser tydelige skader ved AMG-ryggens hjørner, i overensstemmelse med det elektriske felts "hot spot"-placeringer, hvilket validerer nøjagtigheden af RCWA-simuleringerne.
Figur 3 kvantificerer udviklingen af elektron- og gittertemperaturer i AMG under picosekunders lasereksponering ved hjælp af en to-temperaturmodel: ved en pulsbredde på 10 ps, når laserens energitæthed når 0,076 J/cm², stiger gittertemperaturen til smeltepunktet for den simulerede aluminium,{9}, som repræsenterer 33 K-impulsen,{9} tærskel for 10 ps; ved en fast energitæthed er spidselektrontemperaturen for en 2 ps kort impuls meget højere end den for en 15 ps lang impuls (da kortere impulser afsætter energi hurtigere og koncentrerer elektronenergien); under en 10 ps pulsbredde med en 1 kHz gentagelseshastighed falder skadetærsklen efter 10 pulser til 0,0598 J/cm² på grund af termisk akkumulering, som er lavere end den enkelte -pulstærskel.
I figur 4 opnår den eksperimentelle opsætning præcis kontrol af laserparametre og realtidsobservation af skader gennem et energikontrolmodul, der består af en 2-15 ps afstembar pulsbreddelaserkilde, en halv-bølgeplade og en polarisator, samt et realtidsfeltovervågningsmodul med et mørkt---billedmålingssystem; kurven viser, at inden for pulsbreddeområdet på 2-15 ps er AMG-skadetærsklen lavest ved 10 ps (eksperimentel værdi 0,0705 J/cm², meget i overensstemmelse med den simulerede værdi på 0,076 J/cm²); underfigur (c) viser, at under en pulsbredde på 10 ps, når antallet af pulser stiger fra 1 til 1000, udvides AMG-skadeområdet gradvist, og materialesprøjt bliver stadig mere alvorligt, hvilket tydeligt afspejler multipuls-akkumuleringseffekten.
Konklusion:
Denne undersøgelse kombinerer teori (RCWA+TTM) og eksperimenter for at afklare skadeadfærden af AMG under picosekundlasere: RCWA identificerer nøjagtigt højderyggshjørner som sårbare områder, TTM simulerer effektivt elektron-gitterdynamik for at forudsige skadetærskler, og eksperimenter bekræfter, at 10 ps er den laveste skadetærskel for (synerresterende skadesværdi) elektron-fononrelaksation, termisk diffusionsbegrænsning af gitter og transient absorption). Der er betydelig kumulativ effekt under 1 kHz multi-impulsbestråling med en faldende skadetærskel og forværrede morfologiske skader, efterhånden som antallet af impulser stiger. Selvom TTM ikke fuldt ud gengiver de absolutte eksperimentelle værdier på grund af forsømmelse af materialefejl, faseændringsdynamik (såsom fordampning) og mekaniske effekter (såsom termisk stress), giver det stadig en samlet analytisk ramme for interaktionen mellem strukturerede metalfilm og ultrahurtige lasere. Resultaterne er af væsentlig vejledning til forbedring af holdbarheden af høj-lasersystemer og præcisionsoptiske komponenter, design af laserbeskyttelse i luft- og rumfarts- og industriel laserbehandling og giver nøglebeviser for optimering af materialer og strukturer i laser-resistente film.
