Cyhoeddodd tîm ymchwil ar y cyd dan arweiniad yr Athro Zhang Peilei o Brifysgol Gwyddoniaeth Beirianneg Shanghai, Prifysgol Lancaster, ac Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. bapur ymchwil o'r enw "Cyplu electrodynamig ac adborth morffoleg electromagnetig wrth ffurfio ac esblygiad LIPSS ar fetelau o dan femtosecond laser multi-arbelydriad pwls" yn y cyfnodolyn Modelu Cymhwyso Rhyngwladol Math. Sefydlodd y tîm fodel amlffiseg yn cyplysu theori electromagnetig, thermoffiseg dros dro, a hydrodynameg, a defnyddiodd strategaeth iteraidd curiad y galon i astudio proses esblygiad adeileddau arwyneb cyfnodol a achosir gan laser (LIPSS) ar arwynebau aloi titaniwm. Gan gyfuno dilysu arbrofol ac efelychu rhifiadol, datgelodd y tîm fecanwaith ffisegol ffurfio nanostrwythur ac esblygiad o dan effaith synergaidd llif Marangoni a phwysau recoil o dan y mecanwaith adborth morffoleg.
01
Rhagymadrodd
Mae strwythurau arwyneb cyfnodol a achosir gan laser (LIPSS) yn ffenomen ffisegol a all gynhyrchu strwythurau cyfnodol ar arwynebau amrywiol ddeunyddiau (metelau, lled-ddargludyddion, ac ati) ac maent wedi cael eu hastudio'n helaeth. Yn gyffredinol, mae LIPSS yn cael eu dosbarthu'n ddau fath: LIPSS gyda chyfnod sy'n agos at y donfedd laser (LSFL) a LIPSS gyda chyfnod llawer llai na'r donfedd laser (HSFL). Ar gyfer LSFL clasurol, derbynnir y mecanwaith ffurfio yn eang o ganlyniad i ymyrraeth rhwng y laser digwyddiad a polaritonau plasmon wyneb (SPPs) cyffroi ar yr wyneb materol (theori electromagnetig). Er bod theori electromagnetig yn esbonio cyfnod a chyfeiriad LSFL, dim ond y dyddodiad egni cychwynnol statig y mae'n ei ddisgrifio ac nid yw'n esbonio esblygiad deinamig y deunydd mewn cyflwr tawdd a achosir gan laser. Mae proses fudo mater yn y cyflwr tawdd yn ail-lunio morffoleg yr wyneb yn gyfuniad cyfnodol o gopaon a chafnau.
Mae gan brosesu laser femtosecond fanteision unigryw ym maes micro- a nano-oherwydd ei drachywiredd prosesu uchel a'r parth yr effeithir arno gan wres bach. Mae ei led pwls ultrashort yn canolbwyntio egni laser ar yr wyneb materol mewn cyfnod byr iawn, gan gynhyrchu trawsnewidiad cyfnod cydbwysedd thermol nad yw'n-. Mae dargludedd thermol electron a chryfder cyplu ffonon electron yn dominyddu trawsyrru ac ymlacio egni electromagnetig a adneuwyd o fewn y deunydd yn ystod prosesau gwibgyswllt. Y ffactorau hyn yw'r rhesymau sylfaenol dros y gwahaniaethau ym morffoleg LIPSS a welwyd ar ddeunyddiau amrywiol. Fodd bynnag, mae ffurfiant LIPSS yn broses gronnus aml-guriad, gyda'r morffoleg arwyneb a gynhyrchir gan bob curiad yn gweithredu fel yr amod terfyn cychwynnol ar gyfer y curiad nesaf. At hynny, mae rheoleidd-dra LIPSS yn dangos dibyniaeth gref ar briodweddau materol. Anaml y mae efelychiadau rhifiadol blaenorol wedi ystyried dylanwad morffoleg arwyneb a gynhyrchwyd gan gorbys blaenorol ar gorbys dilynol mewn amgylcheddau aml-guriad, aml{-ffiseg. Mae newidiadau ym morffoleg arwyneb deunydd o dan amodau aml-bwls yn arwain at anhomogenedd maes tymheredd, sydd yn ei dro yn effeithio ar ailddosbarthiad hylif tawdd a achosir gan raddiannau tymheredd. Mae hyn yn gofyn am ddadansoddiad meintiol a thrafodaeth o broses esblygiad LIPSS o safbwynt pwls.
Prosesu Pelydr Laser a Electron
02
Dulliau Efelychu
Er mwyn astudio esblygiad cronnus LIPSS o dan arbelydru laser femtosecond aml-guriad a'r mecanwaith adborth cadarnhaol cysylltiedig, mae'r llif gwaith efelychu yn dadelfennu'r rhyngweithiad materol laser o un curiad yn dri cham cysylltiedig: cyfrifo maes electromagnetig, esblygiad thermodynamig, a dynameg hylif, sydd wedyn yn cael eu hailadrodd mewn efelychiadau ailadroddol. Yn yr astudiaeth hon, rydym yn canolbwyntio ar y broses esblygiad gan ddechrau o arwyneb penderfyniaethol. Mae'r efelychiad yn dechrau gydag awyren ddelfrydol, llyfn, lle mae pyllau abladiad a gynhyrchir gan baramedrau laser ac ymateb deunydd yn cael eu hystyried fel y "garwedd effeithiol" ar gyfer cyplu electromagnetig dilynol. Yn y model hwn, mae'r garwedd effeithiol hwn yn cael ei gynrychioli gan abladiad arwyneb efelychiedig, dull sy'n dileu'r ansicrwydd sy'n gysylltiedig â garwder arwyneb cychwynnol ar hap, gan ganiatáu inni astudio sut mae LIPSS yn ffurfio ac yn lluosogi ar ymylon abladiad ac o fewn yr wyneb.
03
Adborth Morffoleg Arwyneb
O dan arbelydru laser ffemtosecond aml-guriad, nid yw ffurfio LIPSS yn arosodiad syml o un maes ffisegol, ond yn broses esblygiad deinamig lle mae dylanwad morffoleg arwyneb corbys blaenorol yn rhyngweithio â dylanwad corbys dilynol. Mae Ffigur 2 yn dangos esblygiad morffoleg wyneb y deunydd a dosbarthiad gofodol cyfatebol y maes trydan o dan gorbys lluosog. Ar gyfer y pwls cychwynnol (N=1), mae dosbarthiad y maes trydan ar yr wyneb deunydd llyfn yn unffurf yn ochrol, yn bennaf yn arddangos patrwm tonnau sefydlog a ffurfiwyd gan ymyrraeth digwyddiad a golau adlewyrchiedig. Wrth i nifer y corbys gynyddu (N=20, N=30), mae'r arwyneb llyfn i ddechrau yn esblygu'n byllau abladiad bas. Mae'r rhyngwyneb anplanar yn torri cymesuredd y plân ac yn darparu'r elfen fector tonnau gwasgaredig mewn-, sy'n arwain at gynhyrfu SPP gwan yn y rhyngwyneb aer metel. Wrth i nifer y corbys gynyddu ymhellach (N=40, N=50), mae'r rhigolau cyfnodol sy'n ymddangos yn gweithredu fel rhwyllau diffreithiant mwy effeithiol, gan arwain at gyplu SPP cryfach. Fel y dangosir yn yr olygfa chwyddedig yn N=50, mae'r ymyrraeth rhwng y SPP a golau digwyddiad dilynol yn cynhyrchu mannau problemus electromagnetig lleol gofodol o fewn y rhigolau, lle mae dwyster y maes trydan yn sylweddol uwch na dwyster y maes digwyddiad.
Mae Ffigur 3 yn dangos esblygiad morffoleg wyneb y deunydd a'r dosbarthiad tymheredd dellt brig cyfatebol o dan wahanol niferoedd o gorbys (N=1-50). Yn y cam cychwynnol (N=1-10), mae pyllau abladiad yn ffurfio ar yr wyneb gwastad. Ar yr adeg hon, mae'r tymheredd arwyneb wedi'i ddosbarthu'n llyfn yn ochrol, ac mae'r dosbarthiad tymheredd cyfatebol yn arddangos brig isel ac eang, gan adlewyrchu dosbarthiad Gaussian yr ynni laser. Wrth i nifer y corbys gynyddu (N=20-50), mae dosbarthiad tymheredd cyfnodol cyferbyniad uchel yn ymddangos yn raddol, sy'n gyson ag ymddangosiad strwythurau arwyneb cyfnodol. Mae'r tymheredd dellt uchaf wedi'i ganoli yn nyffrynnoedd y strwythurau cyfnodol hyn, tra bod y tymheredd ar y copaon yn parhau i fod yn gymharol isel. Mae'r llain dosbarthiad tymheredd yn dangos, wrth i nifer y corbys gynyddu, bod osgled y modiwleiddio tymheredd hwn yn dod yn fwy amlwg, ac mae'r tymheredd brig yn cynyddu'n raddol. Trwy gyfuno hyn ag esblygiad y dosbarthiad maes trydan a ddangosir yn Ffigur 2, gellir esbonio'r dosbarthiad tymheredd dellt o dan gorbys lluosog trwy fecanwaith adborth thermol electromagnetig. Mae mannau poeth electromagnetig sydd wedi'u lleoli yn y cymoedd yn ffurfio ffynonellau gwres gofodol nad ydynt yn unffurf, gan gynhyrchu maes tymheredd dellt cyfnodol sy'n cyfateb i forffoleg yr arwyneb yn y pen draw.
04
Llif Hylif Yn Ystod y Cam Toddi
Mae egni pwls laser femtosecond yn cael ei drosglwyddo i'r dellt trwy gyplu ffonon electron. Unwaith y bydd y tymheredd dellt yn cyrraedd y pwynt toddi, mae haen dawdd dros dro yn ffurfio ar wyneb y deunydd. Mae esblygiad dilynol LIPSS ar amserlen picosecond yn cael ei reoli nid yn unig gan abladiad statig ond hefyd gan y cludiant hydrodynamig o fewn yr haen dawdd hon. Yn y model hwn, mae cyfnodoldeb wedi'i ddiffinio ymlaen llaw gan ddyddodiad egni electromagnetig, tra bod straen Marangoni a phwysau recoil yn bennaf yn gyrru ailddosbarthu a thynnu'r deunydd tawdd. Mae Ffigurau 4, 5, a 6 yn dangos y tueddiadau llif hylif yn ystod cam toddi proses aml-bwls (N=20-40) wrth i'r adeiledd cyfnodol ddatblygu o fas i ddwfn. Ar yr adeg hon, mae'r tymheredd dellt wedi rhagori ar y pwynt toddi ond nid yw eto wedi cyrraedd y tymheredd vaporization. Yn y tri ffigur hyn, mae a1 ac a2 yn cynrychioli copaon y strwythur cyfnodol, tra bod a3 ac a4 yn cynrychioli'r cafnau. Fel y dangosir yn Ffigur 4, yn y camau cynnar o ffurfio strwythur cyfnodol (N=20), mae maes tymheredd cyfnodol wedi'i sefydlu ar yr wyneb, ac mae strwythur tonnog yn dechrau ymddangos. Yn y rhanbarthau dyffrynnoedd â'r tymereddau uchaf (Ffig. 4(c)), sy'n cael ei yrru gan y graddiant tensiwn arwyneb, mae effaith Marangoni yn achosi i'r hylif arwyneb tawdd lifo'n gyflym iawn o ganol y dyffryn i'r copaon cyfagos. I'r gwrthwyneb, yn y rhanbarthau crib â'r tymereddau isaf (Ffig. 4(b)), gwelir bod hylif o ddyffrynnoedd cyfagos yn cydgyfeirio ac yn cronni i fyny. Mae cymhariaeth o'r rhanbarthau hyn yn datgelu-llif dargyfeiriol cyflym iawn yn y cafnau a'r llif cydgyfeiriol cyflym isel yn y cribau. Fel y dangosir ym meysydd llif Ffig. 4(b) a (c), mae llif yr hylif arwynebol tuag at y cribau yn achosi ôl-lifiad yn ddyfnach o fewn y pwll tawdd, gan ddychwelyd o islaw'r brig i'r dyffryn. Mae'r cyfuniad hwn o lif arwyneb allanol a llif gwaelod mewnol yn-yn rhannu'n bâr o vortices Marangoni nodweddiadol o fewn pob crib a chafn o'r strwythur cyfnodol. Wrth gymharu'r ffigurau, gellir gweld o Ffigys. 4, 5, a 6, wrth i'r dyffrynnoedd ddyfnhau, fod yr hylif arwyneb yn cael ei gyfyngu'n raddol oddi mewn iddynt (Ffigs. 4(c), 5(c), a 6(c)). Mae dyffrynnoedd dyfnach yn cyfateb i feysydd trydan lleol cryfach, gan atal trylediad thermol ochrol o'r dyffryn i'r copaon cyfagos. Mae hyn yn arwain at gynnal graddiant tymheredd mwy serth yn y dyffrynnoedd. Felly, gan fod y grymoedd sy'n gyrru symudiad hylifol yn dibynnu ar dymheredd, mae'r grymoedd hyn yn dod yn fwyfwy cyfyngedig yn y cymoedd. O safbwynt cynyddu nifer y corbys, mae hyn yn golygu bod egni corbys dilynol yn cael ei ddefnyddio i ddyfnhau rhigolau presennol, yn hytrach nag abladu copaon sydd eisoes wedi'i ffurfio neu adeiladu strwythurau newydd. O ganlyniad, mae'r gwahaniaeth uchder rhwng copaon a dyffrynnoedd yn cynyddu'n barhaus, gan arwain at ddyfnhau'r strwythur cyfnodol yn raddol.
05
Dilysiad Efelychu
Er mwyn dangos y broses o ffurfio strwythurau wyneb cyfnodol a yrrir gan effaith synergaidd effeithiau electromagnetig a llif hylif o dan arbelydru pwls aml--, cymharwyd yr esblygiad morffoleg arwyneb a welwyd yn yr arbrawf sganio llinol â chanlyniadau'r model amlffiseg ailadroddus, fel y dangosir yn Ffigur 7. Yn y cam cychwynnol o groniad curiad y galon yn yr arbrofion, roedd yr arwyneb deunydd a gynhyrchir ar hap yn cael ei orchuddio gan yr arbrofion ar hap yn bennaf. abladiad-ailosod a chludo hylif tawdd. Yn yr efelychiad, defnyddiwyd man cychwyn ffisegol cyfatebol esblygiad LIPSS, sef pyllau abladiad a achosir gan laser. Gall nanoronynnau ar hap a phyllau abladiad fod yn ffiniau gwasgariad ar gyfer corbys dilynol, a thrwy hynny SPP cyffrous. Mae corbys dilynol yn sefydlu maes tymheredd cyfnodol ar yr arwyneb nad yw'n-planar hwn trwy ymyrraeth SPP, gan ysgogi ailddosbarthu deunydd tawdd ar hyd y cyfnod hwn. Yna, mae grym Marangoni a phwysau recoil yn dechrau gyrru ailddosbarthu hylif tawdd, a thrwy hynny hyrwyddo ffurfio LIPSS.
Er mwyn dilysu canlyniadau'r efelychiad yn well, cymharwyd y LIPSS o dan olau laser femtosecond un pwynt â'r canlyniadau efelychiad rhifiadol. Fel y dangosir yn Ffigur 8, mae'r ddau yn dangos lefel uchel o gysondeb o ran cyfnodoldeb gofodol. I feintioli'r cyfnod hwn, echdynnwyd cyfuchliniau graddlwyd lleol o'r ddelwedd SEM ar hyd y cyfeiriad perpendicwlar i'r LIPSS, gan roi cyfnod cyfartalog o tua 980 nm ar gyfer y strwythur arbrofol. Mae Ffigur 8(b) yn dangos y gyfuchlin draws-adrannol ffug ar yr un raddfa ofodol. Trwy fapio'r cyfuchlin arwyneb efelychiedig ar ddelwedd SEM ar yr un cyfesurynnau a graddfa, sylwyd bod safleoedd gofodol y copaon a'r dyffrynnoedd efelychiedig yn cyfateb yn agos i'r streipiau llachar a thywyll yn y ddelwedd SEM. Mae'r cyfnod efelychiedig oddeutu 960 nm, sydd mewn cytundeb rhagorol â'r canlyniadau arbrofol a fesurwyd gan ddefnyddio'r dull cyfuchlin.
06
Casgliad
Adeiladodd yr astudiaeth hon fodel amlffiseg yn seiliedig ar ddamcaniaeth electromagnetig, theori dynameg hylif, a phriodweddau thermoffisegol defnyddiau trwy efelychiad rhifiadol. Esboniodd o'r dechrau i'r diwedd ffurfio strwythurau cyfnodol ar arwynebau metel a yrrir gan effaith synergaidd effeithiau electromagnetig ac ansefydlogrwydd llif hylif o dan driniaeth laser ffemtosecond aml-pwls. Trwy iteriadau pwls olynol o efelychiad ar wyneb y deunydd a dadansoddiad cymharol o ganlyniadau efelychu gyda chanlyniadau arbrofol, deuwn i'r casgliad bod ffurfio LIPSS yn ganlyniad i effaith synergaidd deinameg electromagnetig a hylif.
Mae'r rhyngweithio rhwng y laser femtosecond digwyddiad a'r arwyneb materol, ym mhresenoldeb garwedd wyneb, yn cyffroi SPPs sy'n ymyrryd â'r golau digwyddiad. Mae'r broses hon yn cynhyrchu dyddodiad egni gofodol cyfnodol a heb fod yn unffurf ar wyneb y deunydd. Gwnaethom gadarnhau y gall y garwedd arwyneb angenrheidiol hwn fod yn byllau abladiad a achosir gan y laser ei hun, a all wasanaethu fel amodau terfyn ar gyfer SPPs cyffrous. Mae'r morffoleg arwyneb a ffurfiwyd gan gorbys blaenorol yn gweithredu fel gratio diffreithiant ar gyfer corbys dilynol, gan wella effeithlonrwydd cyplu SPP. Unwaith y bydd yr egni cyfnodol hwn yn cael ei amsugno gan y deunydd, mae'n trawsnewid yn gyflym i faes graddiant tymheredd dellt cyfatebol, gan ffurfio haen tawdd dros dro ar yr wyneb. Mae'r haen dawdd hynod denau hon, sy'n cael ei dylanwadu gan y graddiant tymheredd cyfnodol, yn ansefydlog iawn yn gorfforol, gan ysgogi cludiant hylif sy'n rheoli mudo materol. Yn ystod y cam toddi, mae grym Marangoni, sy'n cael ei yrru gan densiwn arwyneb, yn mudo'r hylif tawdd o'r cafnau tymheredd uchel i'r cribau tymheredd isel, gan ffurfio llif dargyfeiriol cyflym uchel yn y cafnau a llif cydgyfeiriol cyflym isel yn y cribau. Wrth i nifer y corbys gynyddu, mae'r cafnau'n dyfnhau'n raddol, ac mae'r hylif arwyneb yn cael ei gyfyngu'n raddol i'r cafnau. Yn ystod y cam anweddu, mae cynnydd pellach mewn pwysedd recoil yn cyd-fynd â'r cynnydd pellach yn y tymheredd dellt. Ar y pwynt hwn, mae pwysedd recoil yn gweithredu fel y prif fecanwaith sy'n gyrru'r hylif, gan ddefnyddio grym cryfach i yrru'r hylif o wyneb y cafnau i lawr i'r is-wyneb, tra hefyd yn disodli'r hylif yn ochrol i'r cribau.
