Zajednički istraživački tim pod vodstvom profesora Zhanga Peileija sa Sveučilišta inženjerskih znanosti u Šangaju, Sveučilišta Lancaster i Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. objavio je istraživački rad pod naslovom "Elektromagnetsko-hidrodinamičko spajanje i morfološka povratna sprega u formiranju i evoluciji LIPSS-a na metalima pod femtosekundnim laserskim više-pulsnim zračenjem" u međunarodnoj časopis Primijenjeno matematičko modeliranje. Tim je uspostavio multifizički model spajanja elektromagnetske teorije, tranzijentne termofizike i hidrodinamike i upotrijebio iterativnu strategiju puls-po-puls za proučavanje procesa evolucije laser-induciranih periodičnih površinskih struktura (LIPSS) na površinama titanijske legure. Kombinirajući eksperimentalnu provjeru i numeričku simulaciju, tim je otkrio fizički mehanizam formiranja i evolucije nanostrukture pod sinergističkim učinkom Marangonijevog protoka i povratnog pritiska pod morfološkim povratnim mehanizmom.
01
Uvod
Laser-inducirane periodične površinske strukture (LIPSS) fizički su fenomen koji može generirati periodične strukture na površinama različitih materijala (metali, poluvodiči itd.) i opsežno su proučavani. LIPSS se općenito klasificiraju u dvije vrste: LIPSS s periodom bliskom laserskoj valnoj duljini (LSFL) i LIPSS s periodom mnogo manjom od laserske valne duljine (HSFL). Za klasični LSFL, mehanizam formiranja je široko prihvaćen kao rezultat interferencije između upadnog lasera i površinskih plazmonskih polaritona (SPP) pobuđenih na površini materijala (elektromagnetska teorija). Iako elektromagnetska teorija objašnjava period i smjer LSFL-a, ona samo opisuje statično početno taloženje energije i ne objašnjava dinamičku evoluciju materijala u laser-induciranom rastaljenom stanju. Proces migracije tvari u rastaljenom stanju preoblikuje površinsku morfologiju u periodičnu kombinaciju vrhova i padova.
Obrada femtosekundnim laserom ima jedinstvene prednosti u području mikro{0}} i nano-proizvodnje zbog svoje visoke preciznosti obrade i male zone utjecaja topline-. Njegova ultrakratka širina pulsa koncentrira lasersku energiju na materijalnu površinu u iznimno kratkom vremenu, generirajući fazni prijelaz ne-toplinske ravnoteže. Elektronska toplinska vodljivost i elektro-fononska snaga spajanja dominiraju prijenosom i opuštanjem elektromagnetske energije taložene unutar materijala tijekom ultrabrzih procesa. Ovi su čimbenici temeljni razlozi za razlike u morfologiji LIPSS-a uočene na različitim materijalima. Međutim, formiranje LIPSS-a kumulativni je proces s više-impulsa, pri čemu površinska morfologija koju stvara svaki puls djeluje kao početni granični uvjet za sljedeći puls. Nadalje, pravilnost LIPSS-a pokazuje jaku ovisnost o svojstvima materijala. Prethodne numeričke simulacije rijetko su razmatrale utjecaj morfologije površine koju su generirali prethodni impulsi na sljedeće impulse u više-pulsnim, više-fizičkim okruženjima. Promjene u morfologiji površine materijala pod uvjetima više-pulsa dovode do nehomogenosti temperaturnog polja, što zauzvrat utječe na preraspodjelu rastaljenog fluida izazvanu temperaturnim gradijentima. To zahtijeva kvantitativnu analizu i raspravu o procesu evolucije LIPSS-a iz perspektive puls-po-puls.
Obrada laserskom i elektronskom zrakom
02
Metode simulacije
Za proučavanje kumulativne evolucije LIPSS-a pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim zračenjem i povezanim mehanizmom pozitivne povratne sprege, tijek rada simulacije rastavlja interakciju laserske-materije jednog pulsa u tri povezana koraka: izračun elektromagnetskog polja, termodinamičku evoluciju i dinamiku fluida, koji se zatim ponavljaju u iterativnim simulacijama. U ovoj studiji fokusiramo se na evolucijski proces koji počinje od determinističke površine. Simulacija počinje s idealnom, glatkom ravninom, gdje se ablacijske jame generirane laserskim parametrima i odzivom materijala smatraju "efektivnom hrapavošću" za naknadno elektromagnetsko spajanje. U ovom modelu, ova efektivna hrapavost predstavljena je simuliranom površinskom ablacijom, metodom koja eliminira nesigurnosti povezane s nasumičnim početnim površinskim hrapavostima, što nam omogućuje proučavanje kako se LIPSS formira i širi na rubovima ablacije i unutar površine.
03
Povratne informacije o morfologiji površine
Pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim zračenjem, formiranje LIPSS-a nije jednostavna superpozicija jednog fizičkog polja, već dinamički evolucijski proces u kojem utjecaj površinske morfologije prethodnih impulsa stupa u interakciju s utjecajem sljedećih impulsa. Slika 2 prikazuje evoluciju morfologije površine materijala i odgovarajuću prostornu distribuciju električnog polja pod višestrukim impulsima. Za početni puls (N=1), distribucija električnog polja na površini glatkog materijala bočno je uniformna, uglavnom pokazujući uzorak stojnog vala formiranog interferencijom upadne i reflektirane svjetlosti. Kako se broj impulsa povećava (N=20, N=30), početno glatka površina evoluira u plitke ablacijske jame. Ne-planarno sučelje narušava simetriju ravnine i daje raspršenu-komponentu valnog vektora u ravnini, što dovodi do slabe SPP pobude na metalnom-zračnom sučelju. Kako se broj impulsa dalje povećava (N=40, N=50), periodični utori koji se pojavljuju djeluju kao učinkovitije difrakcijske rešetke, što rezultira jačim SPP sprezanjem. Kao što je prikazano u uvećanom prikazu na N=50, interferencija između SPP-a i naknadne upadne svjetlosti stvara prostorne lokalne elektromagnetske vruće točke unutar utora, gdje je intenzitet električnog polja znatno veći od intenziteta upadnog polja.
Slika 3 ilustrira evoluciju morfologije površine materijala i odgovarajuće raspodjele vršne temperature rešetke pod različitim brojevima impulsa (N=1-50). U početnoj fazi (N=1-10) ablacijske jame nastaju na ravnoj površini. U to vrijeme površinska temperatura je ravnomjerno bočno raspoređena, a odgovarajuća raspodjela temperature pokazuje nizak i širok vrh, odražavajući Gaussovu raspodjelu laserske energije. Kako se broj impulsa povećava (N=20-50), postupno se pojavljuje visoko-kontrast periodične raspodjele temperature, u skladu s pojavom periodičnih površinskih struktura. Najviša temperatura rešetke koncentrirana je u dolinama ovih periodičnih struktura, dok temperatura na vrhovima ostaje relativno niska. Dijagram raspodjele temperature pokazuje da kako se broj impulsa povećava, amplituda ove modulacije temperature postaje sve izraženija, a vršna temperatura postupno raste. Kombinirajući to s evolucijom distribucije električnog polja prikazanom na slici 2, distribucija temperature rešetke pod višestrukim impulsima može se objasniti mehanizmom elektromagnetske toplinske povratne sprege. Elektromagnetske vruće točke smještene u dolinama tvore prostorno ne-jednolike izvore topline, stvarajući u konačnici periodično temperaturno polje rešetke koje odgovara morfologiji površine.
04
Protok fluida tijekom faze taljenja
Energija femtosekundnog laserskog pulsa prenosi se na rešetku preko elektro-fononskog sprezanja. Nakon što temperatura rešetke dosegne točku taljenja, na površini materijala stvara se prolazni rastaljeni sloj. Naknadna evolucija LIPSS-a na pikosekundnoj vremenskoj skali kontrolirana je ne samo statičkom ablacijom već i hidrodinamičkim transportom unutar ovog rastaljenog sloja. U ovom modelu, periodičnost je unaprijed određena taloženjem elektromagnetske energije, dok Marangonijevo naprezanje i povratni tlak prvenstveno pokreću preraspodjelu i uklanjanje rastaljenog materijala. Slike 4, 5 i 6 prikazuju trendove protoka tekućine tijekom faze taljenja više-impulsnog procesa (N=20-40) kako se periodična struktura razvija od plitke do duboke. U ovoj fazi, temperatura rešetke je premašila točku taljenja, ali još nije dosegla temperaturu isparavanja. Na ove tri slike, a1 i a2 predstavljaju vrhove periodične strukture, dok a3 i a4 predstavljaju doline. Kao što je prikazano na slici 4, u ranim fazama formiranja periodične strukture (N=20), na površini je uspostavljeno periodično temperaturno polje i počinje se pojavljivati valovita struktura. U područjima doline s najvišim temperaturama (Slika. 4(c)), vođen gradijentom površinske napetosti, Marangonijev efekt uzrokuje da rastaljena površinska tekućina teče velikom brzinom od središta doline do susjednih vrhova. Nasuprot tome, u područjima vrha s najnižim temperaturama (Slika. 4(b)), uočeno je da tekućina iz susjednih dolina konvergira i nakuplja se prema gore. Usporedba ovih područja otkriva divergentni tok velike-brzine u koritima i konvergentni tok niske-brzine u vrhovima. Kao što je prikazano u poljima protoka na sl.. 4(b) i (c), tok površinske tekućine prema vrhovima uzrokuje povratni tok dublje unutar rastaljenog bazena, vraćajući se ispod vrha u dolinu. Ova kombinacija vanjskog površinskog toka i unutarnjeg donjeg toka samo-se organizira u par tipičnih Marangonijevih vrtloga unutar svakog vrha i doline periodične strukture. Usporedbom slika, može se vidjeti na slikama. 4, 5 i 6 da se, kako se doline produbljuju, površinska tekućina postupno ograničava unutar njih (slike. 4(c), 5(c) i 6(c)). Dublje doline odgovaraju jačim lokalnim električnim poljima, čime se potiskuje bočna toplinska difuzija od doline do susjednih vrhova. To rezultira strmijim temperaturnim gradijentom koji se održava unutar dolina. Stoga, budući da sile koje pokreću gibanje tekućine ovise o temperaturi, te sile postaju sve više ograničene unutar dolina. Iz perspektive povećanja broja impulsa, to znači da se energija sljedećih impulsa koristi za produbljivanje postojećih utora, umjesto uklanjanja već formiranih vrhova ili izgradnje novih struktura. Posljedično, visinska razlika između vrhova i dolina kontinuirano se povećava, što dovodi do postupnog produbljivanja periodične strukture.
05
Provjera simulacije
Kako bi se ilustrirao proces formiranja periodičnih površinskih struktura potaknut sinergističkim učinkom elektromagnetskih učinaka i protoka tekućine pod više-pulsnim zračenjem, evolucija morfologije površine opažena u eksperimentu linearnog skeniranja uspoređena je s rezultatima iterativnog multifizičkog modela, kao što je prikazano na slici 7. U početnoj fazi akumulacije impulsa u eksperimentu, površina materijala bila je uglavnom prekrivena nasumičnim nanočesticama generiranim ablacija-redepozicija i transport rastaljene tekućine. U simulaciji smo koristili fizičku ekvivalentnu početnu točku evolucije LIPSS-a, naime laser-inducirane ablacijske jame. I nasumične nanočestice i ablacijske jame mogu poslužiti kao granice raspršenja za sljedeće impulse, čime se pobuđuje SPP. Naknadni impulsi uspostavljaju periodično temperaturno polje na ovoj ne-planarnoj površini kroz SPP interferenciju, pokrećući preraspodjelu rastaljenog materijala duž tog razdoblja. Zatim, Marangonijeva sila i povratni pritisak počinju pokretati preraspodjelu rastaljene tekućine, čime potiču stvaranje LIPSS-a.
Kako bi se bolje potvrdili rezultati simulacije, LIPSS pod femtosekundnim laserskim osvjetljenjem jedne -točke uspoređen je s rezultatima numeričke simulacije. Kao što je prikazano na slici 8, njih dvoje pokazuju visok stupanj dosljednosti u prostornoj periodičnosti. Kako bi se kvantificiralo to razdoblje, lokalne konture u sivim tonovima SEM slike ekstrahirane su duž smjera okomitog na LIPSS, dajući prosječno razdoblje od približno 980 nm za eksperimentalnu strukturu. Slika 8(b) prikazuje simuliranu konturu-presjeka u istom prostornom mjerilu. Preslikavanjem konture simulirane površine na SEM sliku na istim koordinatama i mjerilu, uočeno je da prostorni položaji simuliranih vrhova i dolina blisko odgovaraju svijetlim i tamnim prugama na SEM slici. Simulirani period iznosi približno 960 nm, što se izvrsno slaže s eksperimentalnim rezultatima izmjerenim konturnom metodom.
06
Zaključak
Ova je studija konstruirala multifizički model temeljen 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 učinkom elektromagnetskih učinaka i nestabilnosti protoka tekućine pod više-pulsnim femtosekundnim laserskim tretmanom. Kroz uzastopne pulsne iteracije simulacije na površini materijala i komparativne analize rezultata simulacije s eksperimentalnim rezultatima, zaključujemo da je nastanak LIPSS-a rezultat sinergističkog učinka elektromagnetske i dinamike fluida.
Interakcija između upadnog femtosekundnog lasera i površine materijala, u prisutnosti hrapavosti površine, pobuđuje SPP-ove koji interferiraju s upadnom svjetlošću. Ovaj proces stvara prostorno periodično i ne-ujednačeno taloženje energije na površini materijala. Potvrdili smo da ova neophodna hrapavost površine može biti ablacijska jama uzrokovana samim laserom, koja može poslužiti kao rubni uvjet za uzbudljive SPP-ove. Morfologija površine formirana prethodnim impulsima djeluje kao difrakcijska rešetka za sljedeće impulse, poboljšavajući učinkovitost spajanja SPP-a. Nakon što materijal apsorbira tu periodičku energiju, ona se brzo pretvara u odgovarajuće polje gradijenta temperature rešetke, tvoreći prolazni rastaljeni sloj na površini. Ovaj iznimno tanak rastaljeni sloj, pod utjecajem periodičkog temperaturnog gradijenta, fizički je vrlo nestabilan, čime se aktivira transport tekućine koji kontrolira migraciju materijala. Tijekom faze taljenja, Marangonijeva sila, vođena površinskom napetosti, migrira rastaljenu tekućinu iz korita visoke-temperature u vrhove niske-temperature, tvoreći divergentni tok velike-brzine u koritima i konvergentni tok niske-brzine u vrhovima. Kako se broj impulsa povećava, korita se postupno produbljuju, a površinska tekućina postupno se ograničava na korita. Tijekom faze isparavanja, daljnji porast temperature rešetke popraćen je daljnjim porastom povratnog tlaka. U ovoj točki, povratni pritisak djeluje kao dominantni mehanizam koji pokreće tekućinu, koristeći jaču silu da potjera tekućinu s površine udubljenja prema dolje do podpovršine, dok također bočno pomiče tekućinu prema vrhovima.
