Zajednički istraživački tim predvođen profesorom Zhang Peileiem sa Šangajskog univerziteta inženjerskih nauka, Univerziteta Lancaster, i Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. objavio je istraživački rad pod naslovom "Elektromagnetno-hidrodinamičko spajanje i morfološka povratna informacija u formiranju i evoluciji LIPSS-a na metalima koji se prenose višestrukim laserom{toseir-radi} pod višestrukim laserskim zračenjem" međunarodni časopis Applied Mathematical Modelling. Tim je uspostavio multifizički model koji povezuje elektromagnetnu teoriju, prolaznu termofiziku i hidrodinamiku i koristio je iterativnu strategiju puls-po-puls za proučavanje procesa evolucije laser-indukovanih periodičnih površinskih struktura (LIPSS) na površinama legure titanijuma. Kombinujući eksperimentalnu verifikaciju i numeričku simulaciju, tim je otkrio fizički mehanizam formiranja i evolucije nanostrukture pod sinergističkim efektom Marangoni protoka i povratnog pritiska pod mehanizmom morfološke povratne sprege.
01
Uvod
Laser-indukovane periodične površinske strukture (LIPSS) su fizički fenomen koji može generirati periodične strukture na površinama različitih materijala (metala, poluvodiča, itd.) i opširno je proučavan. LIPSS se generalno klasifikuju u dva tipa: LIPSS sa periodom bliskim laserskoj talasnoj dužini (LSFL) i LIPSS sa periodom mnogo manjim od talasne dužine lasera (HSFL). Za klasični LSFL, mehanizam formiranja je široko prihvaćen kao rezultat interferencije između upadnog lasera i površinskih plazmon polaritona (SPP) pobuđenih na površini materijala (elektromagnetska teorija). Iako elektromagnetska teorija objašnjava period i smjer LSFL-a, ona opisuje samo statičko početno taloženje energije i ne objašnjava dinamičku evoluciju materijala u laser-induciranom otopljenom stanju. Proces migracije materije u rastopljenom stanju preoblikuje površinsku morfologiju u periodičnu kombinaciju vrhova i padova.
Femtosekundna laserska obrada ima jedinstvene prednosti u oblasti mikro- i nano-proizvodnje zbog svoje visoke preciznosti obrade i male zone utjecaja topline{2}}. Njegova ultrakratka širina impulsa koncentriše lasersku energiju na površini materijala u izuzetno kratkom vremenu, stvarajući ne-termički ravnotežni fazni prijelaz. Elektronska toplotna provodljivost i snaga spajanja elektrona-fonona dominiraju prijenosom i relaksacijom elektromagnetne energije deponirane unutar materijala tokom ultrabrzih procesa. Ovi faktori su osnovni razlozi za razlike u morfologiji LIPSS-a uočene na različitim materijalima. Međutim, formiranje LIPSS-a je kumulativni više-pulsni proces, sa morfologijom površine koju generiše svaki impuls koji djeluje kao početni granični uvjet za sljedeći impuls. Nadalje, pravilnost LIPSS-a pokazuje snažnu ovisnost o svojstvima materijala. Prethodne numeričke simulacije rijetko su razmatrale utjecaj morfologije površine generirane prethodnim impulsima na sljedeće impulse u više-pulsnim, multi-fizičkim okruženjima. Promjene u morfologiji površine materijala u uvjetima više-impulsa dovode do nehomogenosti temperaturnog polja, što zauzvrat utječe na preraspodjelu otopljenog fluida uzrokovanu temperaturnim gradijentima. Ovo zahtijeva kvantitativnu analizu i raspravu o procesu evolucije LIPSS-a iz perspektive-po{18}}puls.
Obrada lasera i elektronskih zraka
02
Metode simulacije
Da bi se proučavala kumulativna evolucija LIPSS-a pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim zračenjem i povezanim mehanizmom pozitivne povratne sprege, radni tok simulacije razlaže interakciju lasera-tvar jednog impulsa u tri povezana koraka: proračun elektromagnetnog polja, termodinamička evolucija, a zatim se ponavljaju simulacije fluida i dinamika fluida. U ovoj studiji fokusiramo se na proces evolucije počevši od determinističke površine. Simulacija počinje s idealnom, glatkom ravninom, gdje se ablacione jame generirane laserskim parametrima i odgovorom materijala smatraju "efikasnom hrapavostom" za naknadno elektromagnetsko spajanje. U ovom modelu, ova efektivna hrapavost je predstavljena simuliranom površinskom ablacijom, metodom koja eliminiše nesigurnosti povezane sa slučajnom početnom hrapavostom površine, omogućavajući nam da proučavamo kako se LIPSS formira i širi na rubovima ablacije i unutar površine.
03
Povratna informacija o morfologiji površine
Pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim zračenjem, formiranje LIPSS-a nije jednostavna superpozicija jednog fizičkog polja, već dinamički evolutivni proces u kojem utjecaj površinske morfologije prethodnih impulsa stupa u interakciju s utjecajem narednih impulsa. Slika 2 prikazuje evoluciju morfologije površine materijala i odgovarajuću prostornu distribuciju električnog polja pod višestrukim impulsima. Za početni impuls (N=1), distribucija električnog polja na glatkoj površini materijala je bočno jednolična, uglavnom pokazujući uzorak stojećeg talasa formiran interferencijom upadne i reflektovane svjetlosti. Kako se broj impulsa povećava (N=20, N=30), prvobitno glatka površina evoluira u plitke ablacije. Ne-planarni interfejs narušava simetriju ravni i obezbeđuje raštrkanu u-ravnu talasnu vektorsku komponentu, što dovodi do slabe SPP pobude na metalnom-vazdušnom interfejsu. Kako se broj impulsa dalje povećava (N=40, N=50), periodični žljebovi koji se pojavljuju djeluju kao efikasnije difrakcijske rešetke, što rezultira jačom SPP spregom. Kao što je prikazano u uvećanom prikazu na N=50, interferencija između SPP-a i naknadne upadne svjetlosti stvara prostorne lokalne elektromagnetne žarišta unutar žljebova, gdje je intenzitet električnog polja značajno veći od intenziteta upadnog polja.
Slika 3 ilustruje evoluciju morfologije površine materijala i odgovarajuću distribuciju temperature rešetke pod različitim brojem impulsa (N=1-50). U početnoj fazi (N=1-10) na ravnoj površini se formiraju ablacione jame. U ovom trenutku, površinska temperatura je glatko raspoređena bočno, a odgovarajuća raspodjela temperature pokazuje nizak i širok vrh, odražavajući Gausovu raspodjelu laserske energije. Kako se broj impulsa povećava (N=20-50), postepeno se pojavljuje visoko-kontrastna periodična raspodjela temperature, u skladu sa pojavom periodičnih površinskih struktura. Najviša temperatura rešetke je koncentrisana u dolinama ovih periodičnih struktura, dok temperatura na vrhovima ostaje relativno niska. Dijagram raspodjele temperature pokazuje da kako se broj impulsa povećava, amplituda ove temperaturne modulacije postaje sve izraženija, a vršna temperatura postepeno raste. Kombinacijom ovoga sa evolucijom distribucije električnog polja prikazanom na slici 2, raspodjela temperature rešetke pod više impulsa može se objasniti mehanizmom elektromagnetne termalne povratne sprege. Elektromagnetne vruće tačke koje se nalaze u dolinama formiraju prostorno neujednačene -izvore toplote, na kraju stvarajući periodično temperaturno polje rešetke koje odgovara morfologiji površine.
04
Protok fluida tokom faze topljenja
Energija femtosekundnog laserskog impulsa se prenosi na rešetku putem elektronsko-fononskog sprega. Kada temperatura rešetke dostigne tačku topljenja, na površini materijala formira se prolazni rastaljeni sloj. Naknadna evolucija LIPSS-a na vremenskoj skali od pikosekunde kontroliše ne samo statička ablacija već i hidrodinamički transport unutar ovog rastaljenog sloja. U ovom modelu, periodičnost je unapred definisana taloženjem elektromagnetne energije, dok Marangoni napon i pritisak trzanja prvenstveno pokreću preraspodelu i uklanjanje rastaljenog materijala. Slike 4, 5 i 6 prikazuju trendove protoka fluida tokom faze topljenja više-pulsnog procesa (N=20-40) kako periodična struktura evoluira od plitke do duboke. U ovoj fazi, temperatura rešetke je premašila tačku topljenja, ali još nije dostigla temperaturu isparavanja. Na ove tri slike a1 i a2 predstavljaju vrhove periodične strukture, dok a3 i a4 predstavljaju donja. Kao što je prikazano na slici 4, u ranim fazama formiranja periodične strukture (N=20), na površini se uspostavlja periodično temperaturno polje i počinje da se javlja valovita struktura. U oblastima doline sa najvišim temperaturama (Slika. 4(c)), vođen gradijentom površinske napetosti, Marangoni efekat uzrokuje da rastopljeni površinski fluid teče velikom brzinom od centra doline do susjednih vrhova. Suprotno tome, u područjima grebena sa najnižim temperaturama (Sl.. 4(b)), uočeno je da tečnost iz susjednih dolina konvergira i akumulira prema gore. Poređenje ovih regija otkriva velike{24}}brzine divergentnog toka u koritima i niske{25}}konvergentne tokove male brzine u vrhovima. Kao što je prikazano u poljima protoka na Sl.. 4(b) i (c), tok površinskog fluida prema vrhovima uzrokuje povratni tok dublje unutar rastopljenog bazena, vraćajući se ispod vrha u dolinu. Ova kombinacija vanjskog površinskog toka i unutrašnjeg donjeg toka samo-organizira se u par tipičnih Marangoni vrtloga unutar svakog vrha i korita periodične strukture. Upoređivanjem slika, iz slika. 4, 5 i 6 se može vidjeti da kako se doline produbljuju, površinski fluid se postepeno ograničava unutar njih (slike . 4(c), 5(c) i 6(c)). Dublje doline odgovaraju jačim lokalnim električnim poljima, čime se potiskuje bočna termička difuzija iz doline na susjedne vrhove. Ovo rezultira strmijim temperaturnim gradijentom koji se održava unutar dolina. Stoga, budući da sile koje pokreću kretanje fluida zavise od temperature, te sile postaju sve više ograničene unutar dolina. Iz perspektive povećanja broja impulsa, to znači da se energija narednih impulsa koristi za produbljivanje postojećih žljebova, a ne za uklanjanje već formiranih pikova ili izgradnju novih struktura. Posljedično, visinska razlika između vrhova i dolina kontinuirano se povećava, što dovodi do postepenog produbljivanja periodične strukture.
05
Verifikacija simulacije
Da bi se ilustrovao proces formiranja periodičnih površinskih struktura vođenih sinergističkim efektom elektromagnetnih efekata i protoka fluida pod više-impulsnim zračenjem, evolucija morfologije površine uočena u eksperimentu s linearnim skeniranjem upoređena je s rezultatima iterativnog multifizičkog modela, kao što je prikazano na slici 7. U početnoj fazi eksperimenta sa površinom akumuliranog materijala, početna površina je akumulirana. nanočestice nastale ablacijom-redepozicijom i transportom rastopljenog fluida. U simulaciji smo koristili fizičku ekvivalentnu početnu tačku evolucije LIPSS-a, odnosno laser-indukovane ablacije. I nasumične nanočestice i ablacione jame mogu poslužiti kao granice rasejanja za naredne impulse, na taj način pobuđujući SPP. Naknadni impulsi uspostavljaju periodično temperaturno polje na ovoj ne-planarnoj površini putem SPP interferencije, pokrećući preraspodjelu rastaljenog materijala tokom ovog perioda. Zatim, Marangoni sila i pritisak trzanja počinju da pokreću preraspodelu otopljene tečnosti, čime se promoviše formiranje LIPSS-a.
Da bi se bolje potvrdili rezultati simulacije, LIPSS pod femtosekundnim laserskim osvjetljenjem u jednoj-tački upoređen je s rezultatima numeričke simulacije. Kao što je prikazano na slici 8, ova dva pokazuju visok stepen konzistentnosti u prostornoj periodičnosti. Da bi se kvantifikovao ovaj period, lokalne konture sivih tonova SEM slike su ekstrahovane duž pravca okomitog na LIPSS, dajući prosečan period od približno 980 nm za eksperimentalnu strukturu. Slika 8(b) prikazuje simuliranu konturu poprečnog -presjeka u istoj prostornoj skali. Preslikavanjem simulirane konture površine na SEM sliku na istim koordinatama i razmjerom, uočeno je da prostorni položaji simuliranih vrhova i dolina blisko odgovaraju svijetlim i tamnim prugama na SEM slici. Simulirani period je približno 960 nm, što se odlično slaže s eksperimentalnim rezultatima mjerenim konturnom metodom.
06
Zaključak
Ova studija je konstruisala multifizički model zasnovan na elektromagnetskoj teoriji, teoriji dinamike fluida i termofizičkim svojstvima materijala kroz numeričku simulaciju. Objašnjava od početka do kraja formiranje periodičnih struktura na metalnim površinama potaknuto sinergističkim efektom elektromagnetnih efekata i nestabilnosti protoka fluida pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim tretmanom. Kroz uzastopne impulsne iteracije simulacije na površini materijala i uporednu analizu rezultata simulacije sa eksperimentalnim rezultatima, zaključujemo da je formiranje LIPSS-a rezultat sinergističkog efekta elektromagnetne i dinamike fluida.
Interakcija između upadnog femtosekundnog lasera i površine materijala, u prisustvu hrapavosti površine, pobuđuje SPP-ove koji ometaju upadnu svjetlost. Ovaj proces generiše prostorno periodično i ne-ujednačeno taloženje energije na površini materijala. Potvrdili smo da ova neophodna hrapavost površine može biti ablaciona jama uzrokovana samim laserom, što može poslužiti kao granični uvjeti za uzbudljive SPP. Morfologija površine formirana prethodnim impulsima djeluje kao difrakciona rešetka za sljedeće impulse, poboljšavajući efikasnost SPP spajanja. Jednom kada materijal apsorbuje ovu periodičnu energiju, ona se brzo transformiše u odgovarajuće polje temperaturnog gradijenta rešetke, formirajući prolazni rastopljeni sloj na površini. Ovaj izuzetno tanak otopljeni sloj, pod utjecajem periodičnog temperaturnog gradijenta, fizički je vrlo nestabilan, čime se aktivira transport fluida koji kontrolira migraciju materijala. Tokom faze topljenja, Marangoni sila, vođena površinskom napetošću, migrira rastopljeni fluid od visoko-donjina na niskim-vrhovima niske temperature, formirajući-divergentni tok velike brzine u koritima i niski{10}}konvergentni tok u grebenima. Kako se broj impulsa povećava, korita se postepeno produbljuju, a površinski fluid se postepeno ograničava na korita. Tokom faze isparavanja, dalje povećanje temperature rešetke je praćeno daljim povećanjem povratnog pritiska. U ovom trenutku, povratni pritisak djeluje kao dominantni mehanizam koji pokreće tekućinu, koristeći jaču silu za pokretanje fluida od površine udubljenja prema dolje do podzemne, dok također bočno istiskuje tekućinu do vrhova.
