01 Папир Увод
Оптички танки филмови (једнослојни/више{0}}слојни премази или решетке) се широко користе у екранима, ласерским системима, медицинским уређајима и ваздухопловству. Технике-закључавања и појачавања импулса са цимпусом (ЦПА) покрећу пикосекундне/фемтосекундне ултрабрзе ласере, иако проширење апликација као што је обрада материјала због велике вршне снаге, такође узрокује оштећење-индуковано ласером због не-термичких фотона-електора, интеракција електрона или вишефотона (мултифотона итд.) главни ограничавајући фактор за животни век оптичких компоненти. Решетке од металног филма, са својом широком рефлективношћу, кључне су у сценаријима као што је компресија ЦПА ласерског импулса, али постојећа истраживања нису темељно истражила однос између трајања импулса (посебно детаља близу минималног прага оштећења), вишеструких импулса и прага оштећења, нити на адекватан начин разматрају временске ефекте и варијације оптичких локалних електричних поља. Стога, ова студија, кроз теоријске прорачуне и експерименте, истражује механизме оштећења решетки алуминијумског филма (АМГ) под пикосекундним ласерским зрачењем од 2-15 пс, дефинишући праг оштећења као минимални ласерски флуенце који индукује трајне морфолошке промене, док се 'кумулативни ефекат' односи на постепене промене термичких својстава експозиције или понављања електронских материјала.
02 Преглед пуног текста
Ова студија се фокусира на АМГ, систематски анализирајући трајање импулса пикосекундних ласера и кумулативне ефекте оштећења вишеструких импулса: Прво, ригорозна анализа{0}}таласа (РЦВА) се користи за симулацију локалне дистрибуције електричног поља, идентификујући углове гребена решетке као најугроженије области; затим, модел са две{1}}температуре (ТТМ) карактерише ултрабрзу динамику електрона и решетки, комбиновану са параметрима алуминијума као што је латентна топлота фузије, да би се предвидели појединачни-пулсни и више-прагови оштећења; експериментално, платформа са-системом за снимање у реалном времену је постављена да мери прагове оштећења коришћењем ласера са подесивом ширином импулса од 2-15 пс, проналазећи најнижи праг оштећења АМГ-а при 10 пс (експериментална вредност 0,0705 Ј/цм²), док се користи експеримент од 1 кХз10 радијатора пулса, брзина понављања пулса 0 приметио је да се праг оштећења прогресивно смањује са повећањем броја импулса (пада на 0,0346 Ј/цм² при 1000 импулса), а морфологија оштећења (аблација, прскање, итд.) се погоршава са кумулативним импулсима. Суштина студије је да се успостави квантитативни однос између параметара импулса (ширина импулса, број) и оштећења АМГ, пружајући теоријску и експерименталну подршку за развој оптичких премаза отпорних на ласер.
03 Графичка анализа
Слика 1 интуитивно приказује основни процес преноса енергије интеракције између пикосекундног ласера и решетке алуминијумског филма (АМГ). Као што је приказано, када ултрабрзи ласер упадне, слободни електрони у металу прво брзо апсорбују енергију фотона и побуђују се, формирајући електронски систем високе{2}}температуре; затим, побуђени електрони преносе енергију на решетку корак по корак кроз процесе електронског-спаривања фонона и процеса расејања фонона-фонона, што на крају изазива промене у температури решетке. Овај процес нарушава термичку равнотежу између електрона и решетке и представља основни извор енергије ласерски-индукованог оштећења, пружајући физички оквир за накнадно успостављање двотемпературног модела (ТТМ).
Слика 2, заснована на ригорозној анализи-таласа (РЦВА), показује да је на таласној дужини од 1030 нм, интензитет електричног поља већи на угловима гребена решетке, формирајући „вруће тачке“ које откривају вероватне тачке иницирања оштећења. АМГ спектри преноса, рефлексије и апсорпције указују на то да повећање периода решетке повећава апсорпцију енергије на различитим таласним дужинама, повећавајући ризик од материјалне штете. СЕМ слике показују очигледна оштећења на угловима АМГ гребена, у складу са локацијама „вруће тачке“ електричног поља, потврђујући тачност РЦВА симулација.
Слика 3 квантификује еволуцију температуре електрона и решетке у АМГ-у под пикосекундним излагањем ласеру коришћењем модела са две-температуре: при ширини импулса од 10 пс, када густина енергије ласера достигне 0,076 Ј/цм², температура решетке расте до тачке топљења 93 К симултано једноструки-праг оштећења једног импулса за 10 пс; при фиксној густини енергије, вршна температура електрона за кратки импулс од 2 пс је много виша од оне за пулс од 15 пс (пошто краћи импулси брже таложе енергију и концентришу енергију електрона); под ширином импулса од 10 пс са стопом понављања од 1 кХз, праг оштећења након 10 импулса пада на 0,0598 Ј/цм² због акумулације топлоте, што је ниже од прага појединачног-пулса.
На слици 4, експериментална поставка постиже прецизну контролу параметара ласера и посматрање оштећења у реалном-времену преко модула за контролу енергије који се састоји од ласерског извора са подесивом ширином импулса од 2-15 пс, полуталасне плоче и поларизатора, као и модула за праћење у реалном{5}}времену са системом тамног поља; крива показује да је у опсегу ширине импулса од 2-15 пс, праг оштећења АМГ најнижи на 10 пс (експериментална вредност 0,0705 Ј/цм², веома конзистентна са симулираном вредношћу од 0,076 Ј/цм²); подслика (ц) показује да под ширином импулса од 10 пс, како се број импулса повећава са 1 на 1000, подручје оштећења АМГ постепено се шири и прскање материјала постаје све теже, што јасно одражава ефекат акумулације више импулса.
Закључак:
Ова студија комбинује теорију (РЦВА+ТТМ) и експерименте да би се разјаснило понашање АМГ оштећења под пикосекундним ласерима: РЦВА прецизно идентификује углове гребена као рањиве области, ТТМ ефикасно симулира динамику електрон{1}}решетке да би предвидео прагове оштећења, а експерименти потврђују да је 10 пс најнижи ефекат оштећења синкронизације од најнижег ефекта старења релаксација електрона-фонона, ограничење топлотне дифузије решетке и пролазна апсорпција). Постоји значајан кумулативни ефекат под више-импулсним зрачењем од 1 кХз, са смањењем прага оштећења и погоршањем морфолошког оштећења како се број импулса повећава. Иако ТТМ не репродукује у потпуности апсолутне експерименталне вредности због занемаривања дефеката материјала, динамике промене фазе (као што је испаравање) и механичких ефеката (као што је термички стрес), он и даље пружа јединствени аналитички оквир за интеракцију између структурираних металних филмова и ултрабрзих ласера. Налази су значајне смернице за побољшање издржљивости ласерских система велике-и прецизних оптичких компоненти, пројектовање ласерске заштите у ваздухопловној и индустријској ласерској обради и дају кључне доказе за оптимизацију материјала и структура филмова{10}}отпорних на ласер.
