01 Papir Uvod
Optički tanki filmovi (jednoslojni/više-slojni premazi ili rešetke) se široko koriste u ekranima, laserskim sistemima, medicinskim uređajima i vazduhoplovstvu. Tehnike -zaključavanja i pojačanja impulsa s cimpusom (CPA) pokreću pikosekundne/femtosekundne ultrabrze lasere, iako proširene aplikacije kao što je obrada materijala zbog velike vršne snage, također uzrokuju -oštećenje izazvano laserom zbog ne-termalnih fotona-interakcija, interakcija elektrona koji dolazi sa više fotona, multifotona, itd. glavni ograničavajući faktor za životni vijek optičkih komponenti. Rešetke od metalnog filma, sa svojom širokom reflektivnošću, ključne su u scenarijima kao što je kompresija CPA laserskog impulsa, ali postojeća istraživanja nisu temeljito istražila odnos između trajanja impulsa (posebno detalja blizu minimalnog praga oštećenja), višestrukih impulsa i praga oštećenja, niti su na odgovarajući način uzeli u obzir vremenske efekte i varijacije optičkog električnog polja. Stoga, ova studija, kroz teorijske proračune i eksperimente, istražuje mehanizme oštećenja rešetki aluminijskog filma (AMG) pod pikosekundnim laserskim zračenjem od 2-15 ps, definirajući prag oštećenja kao minimalni laserski fluence koji inducira trajne morfološke promjene, dok se 'kumulativni efekat' odnosi na postupno ponavljanje mehaničkih svojstava materijala ekspozicije.
02 Pregled punog teksta
Ova studija se fokusira na AMG, sistematski analizirajući trajanje impulsa pikosekundnih lasera i kumulativne efekte oštećenja višestrukih impulsa: Prvo, rigorozna analiza spregnutih{0}}talasa (RCWA) se koristi za simulaciju lokalne distribucije električnog polja, identificirajući uglove grebena rešetke kao najranjivija područja; zatim, model s dvije-temperature (TTM) karakterizira ultrabrzu dinamiku elektrona i rešetki, u kombinaciji s parametrima aluminija kao što je latentna toplina fuzije, za predviđanje pragova oštećenja jednog-i više-impulsa; eksperimentalno, platforma sa-sistemom za snimanje u realnom vremenu je postavljena za mjerenje pragova oštećenja pomoću lasera s podesivom širinom impulsa od 2-15 ps, pronalaženje najnižeg praga oštećenja AMG-a pri 10 ps (eksperimentalna vrijednost 0,0705 J/cm²), dok se koristi brzina od 1 kHz za 1 kHz10 radijatora pulsa00 ponavljanja primijetio je da se prag oštećenja progresivno smanjuje s povećanjem broja impulsa (pada na 0,0346 J/cm² pri 1000 impulsa), a morfologija oštećenja (ablacija, prskanje, itd.) se pogoršava s kumulativnim impulsima. Srž studije je uspostavljanje kvantitativne veze između pulsnih parametara (širina impulsa, broj) i oštećenja AMG-a, pružajući teorijsku i eksperimentalnu podršku za razvoj laserski otpornih optičkih premaza.
03 Grafička analiza
Slika 1 intuitivno prikazuje proces prijenosa energije jezgre interakcije između pikosekundnog lasera i rešetke aluminijskog filma (AMG). Kao što je prikazano, kada ultrabrzi laser upadne, slobodni elektroni u metalu prvo brzo apsorbuju energiju fotona i pobuđuju se, formirajući elektronski sistem visoke -temperature; nakon toga, pobuđeni elektroni prenose energiju u rešetku korak po korak kroz procese elektronsko-sparivanja fonona i procesa raspršivanja fonona-, što na kraju uzrokuje promjene u temperaturi rešetke. Ovaj proces narušava termičku ravnotežu između elektrona i rešetke i predstavlja osnovni izvor energije laserski-induciranih oštećenja, pružajući fizički okvir za naknadno uspostavljanje modela dvije{7}}temperature (TTM).
Slika 2, zasnovana na rigoroznoj analizi spregnutih-talasa (RCWA), pokazuje da je na talasnoj dužini od 1030 nm, intenzitet električnog polja veći na uglovima grebena rešetke, formirajući "vruće tačke" koje otkrivaju vjerovatne početne tačke oštećenja. Spektri AMG transmisije, refleksije i apsorpcije ukazuju na to da povećanje perioda rešetke povećava apsorpciju energije na različitim talasnim dužinama, povećavajući rizik od materijalne štete. SEM slike pokazuju očigledna oštećenja na uglovima AMG grebena, u skladu sa lokacijama "vruće tačke" električnog polja, potvrđujući tačnost RCWA simulacija.
Slika 3 kvantifikuje evoluciju temperature elektrona i rešetke u AMG-u pod pikosekundnim izlaganjem laseru koristeći dvotemperaturni model: pri širini impulsa od 10 ps, kada gustina laserske energije dostigne 0,076 J/cm², temperatura rešetke raste do tačke topljenja 93 K aluminijuma. jedno-prag oštećenja jednog impulsa za 10 ps; pri fiksnoj gustoći energije, vršna temperatura elektrona za kratki impuls od 2 ps je mnogo viša od one za puls od 15 ps (pošto kraći impulsi brže talože energiju i koncentrišu energiju elektrona); ispod širine impulsa od 10 ps sa stopom ponavljanja od 1 kHz, prag oštećenja nakon 10 impulsa pada na 0,0598 J/cm² zbog termalne akumulacije, što je niže od praga pojedinačnog-pulsa.
Na slici 4, eksperimentalna postavka postiže preciznu kontrolu parametara lasera i posmatranje oštećenja u realnom-vremenu kroz modul za kontrolu energije sastavljen od 2-15 ps podesivog laserskog izvora širine impulsa, polu{4}}talasne ploče i polarizatora, kao i modula za praćenje u stvarnom{5}}vremenu sa sistemom za tamno polje; kriva pokazuje da je unutar raspona širine impulsa od 2-15 ps, prag oštećenja AMG najniži na 10 ps (eksperimentalna vrijednost 0,0705 J/cm², vrlo konzistentna sa simuliranom vrijednošću od 0,076 J/cm²); podslika (c) pokazuje da pod širinom impulsa od 10 ps, kako se broj impulsa povećava sa 1 na 1000, područje oštećenja AMG-a se postepeno širi i prskanje materijala postaje sve teže, što jasno odražava efekat akumulacije više impulsa.
zaključak:
Ova studija kombinuje teoriju (RCWA+TTM) i eksperimente kako bi se razjasnilo ponašanje AMG oštećenja pod pikosekundnim laserima: RCWA precizno identifikuje uglove grebena kao ranjive oblasti, TTM efektivno simulira dinamiku elektronske{1}}rešetke da predvidi pragove oštećenja, a eksperimenti potvrđuju da je 10 ps najniži efekat oštećenja od sinhronizovanog efekta relaksacija elektrona-fonona, ograničenje toplotne difuzije rešetke i prolazna apsorpcija). Postoji značajan kumulativni efekat pod više-impulsnim zračenjem od 1 kHz, sa smanjenjem praga oštećenja i pogoršanjem morfološkog oštećenja kako se broj impulsa povećava. Iako TTM ne reproducira u potpunosti apsolutne eksperimentalne vrijednosti zbog zanemarivanja defekata materijala, dinamike promjene faze (kao što je isparavanje) i mehaničkih efekata (kao što je termički stres), on i dalje pruža jedinstveni analitički okvir za interakciju između strukturiranih metalnih filmova i ultrabrzih lasera. Nalazi su značajne smjernice za poboljšanje izdržljivosti laserskih-laserskih sistema velike{9}}i preciznih optičkih komponenti, dizajniranje laserske zaštite u zrakoplovnoj i industrijskoj laserskoj obradi, te pružaju ključne dokaze za optimizaciju materijala i struktura laser-folija otpornih na laser.
