01 Въведение в хартия
Оптичните тънки филми (едно/много{0}}слойни покрития или решетки) се използват широко в дисплеи, лазерни системи, медицински устройства и космическото пространство. Техниките за-заключване на режима и усилване на чирпирания импулс (CPA), управляващи пикосекундни/фемтосекундни ултрабързи лазери, въпреки че разширяват приложенията като обработка на материали поради високата пикова мощност, също причиняват лазерно{3}}индуцирани щети поради не-термични фотонни-електронни взаимодействия (мултифотонна абсорбция, лавинна йонизация и др.), се превръща в основен ограничаващ фактор за продължителността на живота на оптичните компоненти. Решетките от метален филм, с тяхната широка отражателна способност, са от решаващо значение в сценарии като CPA лазерна импулсна компресия, но съществуващите изследвания не са проучили задълбочено връзката между продължителността на импулса (особено детайлите близо до минималния праг на повреда), множество импулси и праг на повреда, нито са разгледани адекватно времевата вариация на локалните ефекти на електрическото поле и оптичните свойства. Следователно, това изследване, чрез теоретични изчисления и експерименти, изследва механизмите на увреждане на решетките от алуминиев филм (AMG) при 2-15 ps пикосекундно лазерно облъчване, определяйки прага на увреждане като минималния лазерен поток, който предизвиква постоянни морфологични промени, докато „кумулативният ефект“ се отнася до постепенните промени в термичните, механичните или електронните свойства на материала, причинени от многократно излагане.
02 Преглед на пълния текст
Това проучване се фокусира върху AMG, като систематично анализира продължителността на импулса на пикосекундните лазери и кумулативните увреждащи ефекти от множество импулси: Първо, строг анализ на свързаната -вълна (RCWA) се използва за симулиране на локалното разпределение на електрическото поле, като се идентифицират ъглите на решетъчния ръб като най-уязвимите зони; след това дву-температурният модел (TTM) характеризира свръхбързата динамика на електроните и решетките, комбинирана с алуминиеви параметри, като латентна топлина на топене, за да предскаже праговете на единични-импулси и много-импулсни повреди; експериментално, платформа със система за изображения в реално-време е настроена за измерване на праговете на увреждане с помощта на 2-15 ps регулируеми лазери с широчина на импулса, намирайки най-ниския праг на увреждане на AMG при 10 ps (експериментална стойност 0,0705 J/cm²), докато използва честота на повторение от 1 kHz за 10-1000 експеримента с импулсно облъчване, се наблюдава, че прагът на увреждане намалява прогресивно с увеличаване на броя на импулсите (спадане до 0,0346 J/cm² при 1000 импулса), а морфологията на увреждането (аблация, разпръскване и т.н.) се влошава с кумулативни импулси. Ядрото на изследването е да се установи количествена връзка между импулсните параметри (широчина на импулса, брой) и увреждането на AMG, осигурявайки теоретична и експериментална подкрепа за разработването на лазерно устойчиви оптични покрития.
03 Графичен анализ
Фигура 1 интуитивно показва основния процес на трансфер на енергия на взаимодействието между пикосекундния лазер и алуминиевата филмова решетка (AMG). Както е показано, когато ултрабързият лазер пада, свободните електрони в метала първо бързо абсорбират фотонна енергия и се възбуждат, образувайки електронна система с висока-температура; впоследствие възбудените електрони пренасят енергия към решетката стъпка по стъпка чрез процеси на електрон-фононно свързване и фонон-фононно разсейване, което в крайна сметка причинява промени в температурата на решетката. Този процес нарушава термичното равновесие между електроните и решетката и е основният енергиен източник на лазер-индуцирано увреждане, осигурявайки физическата рамка за последващото установяване на дву-температурния модел (TTM).
Фигура 2, базирана на строг анализ на свързани -вълни (RCWA), показва, че при дължина на вълната от 1030 nm интензитетът на електрическото поле е по-висок в ъглите на решетъчния ръб, образувайки „горещи точки“, които разкриват вероятните начални точки на повреда. AMG спектрите на предаване, отражение и абсорбция показват, че увеличаването на периода на решетка подобрява абсорбцията на енергия при различни дължини на вълните, повишавайки риска от материални щети. SEM изображенията показват очевидни щети в ъглите на AMG билото, в съответствие с местата на "горещите точки" на електрическото поле, потвърждавайки точността на RCWA симулациите.
Фигура 3 определя количествено развитието на температурите на електроните и решетката в AMG при пикосекундно лазерно излагане, като използва дву-температурен модел: при ширина на импулса от 10 ps, когато плътността на лазерната енергия достигне 0,076 J/cm², температурата на решетката се повишава до точката на топене на алуминия (933 K), което представлява симулираното единично-импулсно увреждане праг за 10 ps; при фиксирана енергийна плътност пиковата електронна температура за кратък импулс от 2 ps е много по-висока от тази за дълъг импулс от 15 ps (тъй като по-късите импулси отлагат енергия по-бързо и концентрират енергията на електроните); при ширина на импулса от 10 ps с честота на повторение от 1 kHz, прагът на повреда след 10 импулса пада до 0,0598 J/cm² поради натрупване на топлина, което е по-ниско от прага на единичния-импулс.
На Фигура 4 експерименталната настройка постига прецизен контрол на лазерните параметри и-наблюдение на щетите в реално време чрез модул за контрол на енергията, съставен от 2-15 ps регулируем лазерен източник с широчина на импулса, половин-вълнова плоча и поляризатор, както и-модул за наблюдение в реално време със система за изображения в тъмно поле; кривата показва, че в рамките на диапазона на ширината на импулса от 2-15 ps, прагът на увреждане на AMG е най-нисък при 10 ps (експериментална стойност 0,0705 J/cm², силно съответстваща на симулираната стойност от 0,076 J/cm²); подфигура (c) показва, че при ширина на импулса от 10 ps, тъй като броят на импулсите се увеличава от 1 до 1000, зоната на увреждане на AMG постепенно се разширява и разпръскването на материала става все по-тежко, отразявайки ясно ефекта на натрупване на много импулси.
Заключение:
Това проучване съчетава теория (RCWA+TTM) и експерименти за изясняване на повреждащото поведение на AMG при пикосекундни лазери: RCWA точно идентифицира ъглите на билото като уязвими зони, TTM ефективно симулира динамиката на електронната-решетка, за да предскаже праговете на увреждане, а експериментите потвърждават, че 10 ps е най-ниският праг на увреждане (резултат от синергичните ефекти на електрон-фононна релаксация, ограничаване на термичната дифузия в решетката и преходна абсорбция). Има значителен кумулативен ефект при много-импулсно облъчване от 1 kHz, с намаляващ праг на увреждане и влошаване на морфологичното увреждане с увеличаване на броя на импулсите. Въпреки че TTM не възпроизвежда напълно абсолютните експериментални стойности поради пренебрегване на материални дефекти, динамика на промяна на фазата (като изпарение) и механични ефекти (като термичен стрес), той все още осигурява унифицирана аналитична рамка за взаимодействието между структурирани метални филми и свръхбързи лазери. Констатациите са важни насоки за подобряване на издръжливостта на високо-мощни лазерни системи и прецизни оптични компоненти, проектиране на лазерна защита в космическата и промишлена лазерна обработка и предоставят ключови доказателства за оптимизиране на материалите и структурите на лазерно{10}}устойчивите филми.
