Společný výzkumný tým vedený profesorem Zhang Peilei z Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University a Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. publikoval výzkumnou práci nazvanou "Elektromagnetická{2}}hydrodynamická vazba a morfologická zpětná vazba při tvorbě a vývoji LIPSS na kovech pod femtosekundovým laserem multi-pulzní ozařování v mezinárodním časopise The Pulse Applied Applied Ma. Tým vytvořil multifyzikální model spojující elektromagnetickou teorii, přechodnou termofyziku a hydrodynamiku a použil pulzní -po- iterační strategii ke studiu evolučního procesu laserem-indukovaných periodických povrchových struktur (LIPSS) na površích titanových slitin. Kombinací experimentálního ověření a numerické simulace tým odhalil fyzikální mechanismus tvorby a evoluce nanostruktur pod synergickým efektem Marangoniho toku a zpětného rázu v rámci mechanismu morfologické zpětné vazby.
01
Zavedení
Laserem-indukované periodické povrchové struktury (LIPSS) jsou fyzikální jev, který může vytvářet periodické struktury na površích různých materiálů (kovy, polovodiče atd.) a byly rozsáhle studovány. LIPSS se obecně dělí na dva typy: LIPSS s periodou blízkou vlnové délce laseru (LSFL) a LIPSS s periodou mnohem menší než vlnová délka laseru (HSFL). U klasického LSFL je mechanismus tvorby široce akceptován jako výsledek interference mezi dopadajícím laserem a polaritony povrchových plazmonů (SPP) excitovanými na povrchu materiálu (elektromagnetická teorie). Ačkoli elektromagnetická teorie vysvětluje periodu a směr LSFL, popisuje pouze statickou počáteční energii depozice a nevysvětluje dynamický vývoj materiálu v roztaveném stavu vyvolaném laserem-. Proces migrace hmoty v roztaveném stavu přetváří morfologii povrchu na periodickou kombinaci vrcholů a prohlubní.
Zpracování femtosekundovým laserem má jedinečné výhody v oblasti mikro- a nano{1}}výroby díky vysoké přesnosti zpracování a malé zóně ovlivněné teplem-. Jeho ultrakrátká šířka pulsu koncentruje laserovou energii na povrch materiálu v extrémně krátkém čase a vytváří ne-tepelný rovnovážný fázový přechod. Tepelná vodivost elektronů a síla elektron{6}}fononové vazby dominují přenosu a relaxaci elektromagnetické energie usazené v materiálu během ultrarychlých procesů. Tyto faktory jsou základními důvody pro rozdíly v morfologii LIPSS pozorované na různých materiálech. Tvorba LIPSS je však kumulativní multi-pulzní proces, přičemž povrchová morfologie generovaná každým pulzem funguje jako počáteční okrajová podmínka pro další pulz. Kromě toho pravidelnost LIPSS vykazuje silnou závislost na materiálových vlastnostech. Předchozí numerické simulace jen zřídka zvažovaly vliv povrchové morfologie generované předchozími pulsy na následné pulsy ve více-pulsních a více{13}}fyzikálních prostředích. Změny v morfologii povrchu materiálu za více{15}}pulzních podmínek vedou k nehomogenitě teplotního pole, což zase ovlivňuje redistribuci roztavené tekutiny vyvolané teplotními gradienty. To vyžaduje kvantitativní analýzu a diskusi o procesu evoluce LIPSS z pohledu pulzů-po{18}}pulsech.
Zpracování laserem a elektronovým paprskem
02
Simulační metody
Ke studiu kumulativního vývoje LIPSS při více-pulzní femtosekundovém laserovém ozařování a souvisejícím mechanismu pozitivní zpětné vazby rozkládá pracovní postup simulace interakci laserové-hmoty jednoho pulzu do tří spojených kroků: výpočet elektromagnetického pole, termodynamický vývoj a dynamika tekutin, které se pak opakují v iterativních simulacích. V této studii se zaměřujeme na evoluční proces vycházející z deterministického povrchu. Simulace začíná ideální hladkou rovinou, kde jsou ablační jamky generované parametry laseru a odezvou materiálu považovány za "efektivní drsnost" pro následnou elektromagnetickou vazbu. V tomto modelu je tato efektivní drsnost reprezentována simulovanou povrchovou ablací, metodou, která eliminuje nejistoty spojené s náhodnou počáteční drsností povrchu, což nám umožňuje studovat, jak se LIPSS tvoří a šíří na okrajích ablace a uvnitř povrchu.
03
Zpětná vazba morfologie povrchu
Při multi-pulzním ozařování femtosekundovým laserem není tvorba LIPSS jednoduchou superpozicí jednoho fyzikálního pole, ale dynamickým vývojovým procesem, ve kterém dochází k interakci povrchové morfologie předchozích pulsů a následných pulsů. Obrázek 2 ukazuje vývoj morfologie povrchu materiálu a odpovídající prostorové rozložení elektrického pole při více pulzech. Pro počáteční impuls (N=1) je distribuce elektrického pole na hladkém povrchu materiálu laterálně stejnoměrná, hlavně vykazuje vzor stojatých vln tvořený interferencí dopadajícího a odraženého světla. S rostoucím počtem pulzů (N=20, N=30) se původně hladký povrch vyvine v mělké ablační jamky. Ne-rovinné rozhraní narušuje symetrii roviny a poskytuje složku vektoru rozptýlených v{10}rovinných vlnách, což vede ke slabému buzení SPP na rozhraní kovu{11}}vzduchu. Jak se počet pulzů dále zvyšuje (N=40, N=50), periodické drážky, které se objevují, fungují jako účinnější difrakční mřížky, což vede k silnější vazbě SPP. Jak ukazuje zvětšený pohled na N=50, interference mezi SPP a následným dopadajícím světlem generuje prostorové lokální elektromagnetické horké body uvnitř drážek, kde intenzita elektrického pole je výrazně vyšší než intenzita dopadajícího pole.
Obrázek 3 ilustruje vývoj morfologie povrchu materiálu a odpovídající rozložení teploty mřížky píku při různém počtu pulzů (N=1-50). V počáteční fázi (N=1-10) se na plochém povrchu tvoří ablační jamky. V tomto okamžiku je povrchová teplota hladce rozložena laterálně a odpovídající rozložení teplot vykazuje nízký a široký vrchol, který odráží Gaussovo rozložení laserové energie. S rostoucím počtem pulzů (N=20-50) se postupně objevuje vysoce-kontrastní periodické rozložení teploty, které je v souladu se vznikem periodických povrchových struktur. Nejvyšší teplota mřížky je soustředěna v údolích těchto periodických struktur, zatímco teplota na vrcholech zůstává relativně nízká. Graf rozložení teploty ukazuje, že s rostoucím počtem pulzů se amplituda této teplotní modulace stává výraznější a maximální teplota se postupně zvyšuje. Kombinací toho s vývojem distribuce elektrického pole znázorněného na obrázku 2 lze rozložení teploty mřížky při více pulzech vysvětlit mechanismem elektromagnetické tepelné zpětné vazby. Elektromagnetická horká místa umístěná v údolích tvoří prostorově nestejnorodé zdroje tepla, které nakonec generují periodické mřížkové teplotní pole odpovídající morfologii povrchu.
04
Proudění tekutiny během fáze tavení
Energie pulzu femtosekundového laseru se přenáší do mřížky prostřednictvím elektron{0}}fononové vazby. Jakmile teplota mřížky dosáhne bodu tání, vytvoří se na povrchu materiálu přechodná roztavená vrstva. Následný vývoj LIPSS v pikosekundovém časovém měřítku je řízen nejen statickou ablací, ale také hydrodynamickým transportem v této roztavené vrstvě. V tomto modelu je periodicita předdefinována depozicí elektromagnetické energie, zatímco Marangoniho napětí a tlak zpětného rázu primárně řídí redistribuci a odstraňování roztaveného materiálu. Obrázky 4, 5 a 6 ukazují trendy proudění tekutiny během fáze tání více-pulzního procesu (N=20-40), jak se periodická struktura vyvíjí od mělké k hluboké. V této fázi teplota mřížky překročila bod tání, ale ještě nedosáhla teploty odpařování. Na těchto třech obrázcích a1 a a2 představují vrcholy periodické struktury, zatímco a3 a a4 představují prohlubně. Jak je znázorněno na obrázku 4, v raných fázích tvorby periodické struktury (N=20) se na povrchu vytvořilo periodické teplotní pole a začíná se objevovat zvlněná struktura. V oblastech údolí s nejvyššími teplotami (obr.{20}}(c)), poháněných gradientem povrchového napětí, Marangoniho efekt způsobuje, že roztavená povrchová tekutina proudí vysokou rychlostí ze středu údolí k sousedním vrcholům. Naopak v oblastech hřebene s nejnižšími teplotami (obr.. 4(b)) je pozorováno, že se tekutina z přilehlých údolí sbíhá a hromadí směrem nahoru. Porovnání těchto oblastí ukazuje vysokorychlostní divergentní proudění v korytech a nízkorychlostní konvergující proudění v hřebenech. Jak je znázorněno na proudových polích na obr. . 4}(b) a (c), proudění povrchové tekutiny směrem k hřebenům způsobuje zpětné proudění hlouběji v roztavené lázni, které se vrací zpod vrcholu do údolí. Tato kombinace vnějšího povrchového proudění a vnitřního spodního proudění{29}}se organizuje do páru typických Marangoniho vírů v každém hřebeni a prohlubni periodické struktury. Porovnáním obrázků je z obr. . 4, 5 a 6 vidět, že jak se údolí prohlubují, povrchová tekutina je v nich postupně uzavřena (obr. . 4 (c), 5 (c) a 6 (c)). Hlubší údolí odpovídají silnějším místním elektrickým polím, čímž se potlačuje laterální tepelná difúze z údolí k sousedním vrcholům. To má za následek, že se v údolích udržuje strmější teplotní gradient. Protože síly pohánějící pohyb tekutiny závisí na teplotě, jsou tyto síly stále více omezeny v údolích. Z hlediska zvýšení počtu pulsů to znamená, že energie následných pulsů je využita k prohloubení stávajících drážek, spíše než k ablaci již vytvořených vrcholů nebo budování nových struktur. V důsledku toho se výškový rozdíl mezi vrcholy a údolími neustále zvyšuje, což vede k postupnému prohlubování periodické struktury.
05
Ověření simulace
Pro ilustraci procesu tvorby periodických povrchových struktur poháněných synergickým efektem elektromagnetických efektů a proudění tekutiny při multi-pulzní ozařování byl vývoj povrchové morfologie pozorovaný v experimentu lineárního skenování porovnán s výsledky iterativního multifyzikálního modelu, jak je znázorněno na obrázku 7. V počáteční fázi akumulace pulzů v experimentu byl povrch materiálu převážně pokrytý 2 nanočásticovými transportními částicemi.} V simulaci jsme použili fyzikální ekvivalentní výchozí bod evoluce LIPSS, konkrétně laserem -indukované ablační jamky. Jak náhodné nanočástice, tak ablační jamky mohou sloužit jako hranice rozptylu pro následné pulzy, čímž vzrušují SPP. Následující pulsy vytvářejí periodické teplotní pole na tomto ne-rovinném povrchu prostřednictvím rušení SPP, které po tuto periodu řídí redistribuci roztaveného materiálu. Poté začnou Marangoniho síla a tlak zpětného rázu pohánět redistribuci roztavené tekutiny, čímž podporují tvorbu LIPSS.
Pro lepší ověření výsledků simulace byl LIPSS pod jednobodovým femtosekundovým laserovým osvětlením porovnán s výsledky numerické simulace. Jak je znázorněno na obrázku 8, oba vykazují vysoký stupeň konzistence v prostorové periodicitě. Pro kvantifikaci této periody byly místní kontury ve stupních šedi snímku SEM extrahovány ve směru kolmém k LIPSS, což poskytlo průměrnou periodu přibližně 980 nm pro experimentální strukturu. Obrázek 8(b) ukazuje simulovaný- obrys průřezu ve stejném prostorovém měřítku. Mapováním simulovaného obrysu povrchu na snímek SEM ve stejných souřadnicích a měřítku bylo pozorováno, že prostorové polohy simulovaných vrcholů a údolí úzce odpovídají světlým a tmavým pruhům na snímku SEM. Simulovaná perioda je přibližně 960 nm, což je ve výborné shodě s experimentálními výsledky naměřenými pomocí vrstevnicové metody.
06
Závěr
Tato studie vytvořila multifyzikální model založený na elektromagnetické teorii, teorii dynamiky tekutin a termofyzikálních vlastnostech materiálů prostřednictvím numerické simulace. Vysvětlil od začátku do konce tvorbu periodických struktur na kovových površích řízených synergickým efektem elektromagnetických efektů a nestabilit proudění tekutiny při ošetření multi-pulzní femtosekundovým laserem. Prostřednictvím postupných pulzních iterací simulace na povrchu materiálu a srovnávací analýzy výsledků simulace s experimentálními výsledky jsme dospěli k závěru, že vznik LIPSS je výsledkem synergického efektu elektromagnetické a fluidní dynamiky.
Interakce mezi dopadajícím femtosekundovým laserem a povrchem materiálu v přítomnosti drsnosti povrchu excituje SPP, které interferují s dopadajícím světlem. Tento proces generuje prostorově periodické a-nerovnoměrné ukládání energie na povrch materiálu. Potvrdili jsme, že touto nezbytnou drsností povrchu mohou být ablační jamky způsobené samotným laserem, které mohou sloužit jako okrajové podmínky pro excitační SPP. Morfologie povrchu vytvořená předchozími pulsy působí jako difrakční mřížka pro následující pulsy, čímž se zlepšuje účinnost vazby SPP. Jakmile je tato periodická energie absorbována materiálem, rychle se přemění na odpovídající mřížkové teplotní gradientové pole, čímž se na povrchu vytvoří přechodná roztavená vrstva. Tato extrémně tenká roztavená vrstva, ovlivněná periodickým teplotním gradientem, je fyzikálně vysoce nestabilní, čímž aktivuje transport tekutiny, který řídí migraci materiálu. Během fáze tavení Marangoniho síla, poháněná povrchovým napětím, migruje roztavenou tekutinu z vysokoteplotních žlabů do nízkoteplotních -hřebenů, přičemž ve žlabech vytváří vysokorychlostní divergentní proudění a nízkorychlostní konvergující tok ve žlabech. S rostoucím počtem pulzů se žlaby postupně prohlubují a povrchová tekutina se postupně omezuje na žlaby. Během fáze odpařování je další zvýšení teploty mřížky doprovázeno dalším zvýšením tlaku zpětného rázu. V tomto bodě působí tlak zpětného rázu jako dominantní mechanismus pohánějící tekutinu, přičemž využívá silnější sílu k pohánění tekutiny z povrchu žlabů dolů k podpovrchu, přičemž tekutinu také bočně přemísťuje k hřebenům.
