Un equip d'investigació conjunt dirigit pel professor Zhang Peilei de la Universitat de Ciències de l'Enginyeria de Xangai, la Universitat de Lancaster i Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. va publicar un document de recerca titulat "Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosegon laser multi{{3}pulse laser multi-pulse laser irradiation Applied International Mathematical Journal Modelling". L'equip va establir un model multifísic que combinava la teoria electromagnètica, la termofísica transitòria i la hidrodinàmica, i va utilitzar una estratègia iterativa de pols-per{-pols per estudiar el procés d'evolució de les estructures de superfície periòdiques induïdes per làser{{7} (LIPSS) a les superfícies d'aliatge de titani. Combinant la verificació experimental i la simulació numèrica, l'equip va revelar el mecanisme físic de formació i evolució de nanoestructura sota l'efecte sinèrgic del flux de Marangoni i la pressió de retrocés sota el mecanisme de retroalimentació morfològica.
01
Introducció
Les estructures de superfície periòdiques induïdes per làser-(LIPSS) són un fenomen físic que pot generar estructures periòdiques a les superfícies de diversos materials (metalls, semiconductors, etc.) i s'han estudiat àmpliament. Els LIPSS es classifiquen generalment en dos tipus: LIPSS amb un període proper a la longitud d'ona del làser (LSFL) i LIPSS amb un període molt menor que la longitud d'ona del làser (HSFL). Per a la LSFL clàssica, el mecanisme de formació és àmpliament acceptat com a resultat de la interferència entre el làser incident i els polaritons de plasmó de superfície (SPP) excitats a la superfície del material (teoria electromagnètica). Tot i que la teoria electromagnètica explica el període i la direcció de LSFL, només descriu la deposició d'energia inicial estàtica i no explica l'evolució dinàmica del material en un estat fos induït per làser-. El procés de migració de la matèria en estat fos remodela la morfologia de la superfície en una combinació periòdica de pics i valles.
El processament làser femtosegon té avantatges únics en el camp de la micro- i nano-fabricació a causa de la seva alta precisió de processament i la seva petita zona afectada per la calor-. La seva amplada de pols ultracurta concentra l'energia làser a la superfície del material en un temps extremadament curt, generant una transició de fase no -tèrmica. La conductivitat tèrmica d'electrons i la força d'acoblament d'electrons-fonons dominen la transmissió i la relaxació de l'energia electromagnètica dipositada dins del material durant els processos ultraràpids. Aquests factors són els motius fonamentals de les diferències en la morfologia de LIPSS observades en diversos materials. Tanmateix, la formació de LIPSS és un procés de multi-pols acumulat, amb la morfologia superficial generada per cada pols actuant com a condició de límit inicial per al següent pols. A més, la regularitat de LIPSS mostra una forta dependència de les propietats del material. Les simulacions numèriques anteriors poques vegades s'han considerat la influència de la morfologia superficial generada per polsos anteriors en polsos posteriors en entorns físics multi-multi-. Els canvis en la morfologia de la superfície del material en condicions de multi-pols condueixen a una deshomogeneïtat del camp de temperatura, que al seu torn afecta la redistribució del fluid fos induïda pels gradients de temperatura. Això requereix una anàlisi quantitativa i una discussió del procés d'evolució de LIPSS des d'una perspectiva de pols-per-pols.
Processament làser i feix d'electrons
02
Mètodes de simulació
Per estudiar l'evolució acumulada de LIPSS sota irradiació làser femtosegon multi-pols i el mecanisme de retroalimentació positiva relacionat, el flux de treball de simulació descompon la interacció làser-matèria d'un sol pols en tres passos acoblats: càlcul del camp electromagnètic, evolució termodinàmica i dinàmica de fluids, que després es repeteixen en simulacions iteratives. En aquest estudi ens centrem en el procés d'evolució a partir d'una superfície determinista. La simulació comença amb un pla ideal i suau, on les fosses d'ablació generades pels paràmetres làser i la resposta del material es consideren la "rugositat efectiva" per a l'acoblament electromagnètic posterior. En aquest model, aquesta rugositat efectiva es representa mitjançant l'ablació superficial simulada, un mètode que elimina les incerteses associades a la rugositat superficial inicial aleatòria, que ens permet estudiar com es forma i es propaga LIPSS a les vores d'ablació i dins de la superfície.
03
Retroalimentació de la morfologia superficial
Sota la irradiació làser femtosegon multi-pols, la formació de LIPSS no és una simple superposició d'un sol camp físic, sinó un procés d'evolució dinàmica en què la influència de la morfologia superficial dels polsos anteriors interacciona amb la dels polsos posteriors. La figura 2 mostra l'evolució de la morfologia de la superfície del material i la corresponent distribució espacial del camp elèctric sota múltiples polsos. Per al pols inicial (N=1), la distribució del camp elèctric a la superfície llisa del material és lateralment uniforme, principalment mostra un patró d'ona estacionària format per la interferència de la llum incident i reflectida. A mesura que augmenta el nombre de polsos (N=20, N=30), la superfície inicialment llisa evoluciona cap a fosses d'ablació poc profundes. La interfície no-planar trenca la simetria del pla i proporciona el component de vector d'ona-pla dispersa, que condueix a una feble excitació SPP a la interfície d'aire-metall. A mesura que el nombre de polsos augmenta encara més (N=40, N=50), els solcs periòdics que apareixen actuen com a xarxes de difracció més efectives, donant lloc a un acoblament SPP més fort. Tal com es mostra a la vista ampliada a N=50, la interferència entre l'SPP i la llum incident posterior genera punts calents electromagnètics locals espacials dins de les ranures, on la intensitat del camp elèctric és significativament superior a la intensitat del camp incident.
La figura 3 il·lustra l'evolució de la morfologia de la superfície del material i la corresponent distribució màxima de temperatura de gelosia sota diferents nombres de polsos (N=1-50). En l'etapa inicial (N=1-10), es formen fosses d'ablació a la superfície plana. En aquest moment, la temperatura de la superfície es distribueix lateralment de manera suau i la distribució de temperatura corresponent presenta un pic baix i ample, que reflecteix la distribució gaussiana de l'energia làser. A mesura que augmenta el nombre de polsos (N=20-50), apareix gradualment una distribució de temperatura periòdica d'alt-contrast, consistent amb l'aparició d'estructures superficials periòdiques. La temperatura de gelosia més alta es concentra a les valls d'aquestes estructures periòdiques, mentre que la temperatura als cims es manté relativament baixa. El diagrama de distribució de la temperatura mostra que a mesura que augmenta el nombre de polsos, l'amplitud d'aquesta modulació de temperatura es fa més pronunciada i la temperatura màxima augmenta gradualment. Combinant això amb l'evolució de la distribució del camp elèctric que es mostra a la figura 2, la distribució de la temperatura de la gelosia sota múltiples polsos es pot explicar mitjançant un mecanisme de retroalimentació tèrmica electromagnètica. Els punts calents electromagnètics situats a les valls formen fonts de calor espacialment no uniformes-, generant finalment un camp de temperatura de gelosia periòdica corresponent a la morfologia de la superfície.
04
Flux de fluids durant l'etapa de fusió
L'energia del pols làser de femtosegons es transfereix a la xarxa mitjançant l'acoblament d'electrons-fonons. Un cop la temperatura de la gelosia arriba al punt de fusió, es forma una capa fosa transitòria a la superfície del material. L'evolució posterior de LIPSS en una escala de temps de picosegons està controlada no només per l'ablació estàtica sinó també pel transport hidrodinàmic dins d'aquesta capa fosa. En aquest model, la periodicitat està predefinida per la deposició d'energia electromagnètica, mentre que l'estrès de Marangoni i la pressió de retrocés impulsen principalment la redistribució i l'eliminació del material fos. Les figures 4, 5 i 6 mostren les tendències del flux de fluids durant l'etapa de fusió d'un procés de multi-pols (N=20-40) a mesura que l'estructura periòdica evoluciona de poc profund a profund. En aquesta etapa, la temperatura de la gelosia ha superat el punt de fusió però encara no ha arribat a la temperatura de vaporització. En aquestes tres figures, a1 i a2 representen els pics de l'estructura periòdica, mentre que a3 i a4 representen els abeuradors. Com es mostra a la figura 4, en les primeres etapes de formació d'estructura periòdica (N=20), s'ha establert un camp de temperatura periòdic a la superfície i comença a aparèixer una estructura ondulada. A les regions de la vall amb les temperatures més altes (Fig . 4(c)), impulsades pel gradient de tensió superficial, l'efecte Marangoni fa que el fluid superficial fos flueixi a gran velocitat des del centre de la vall fins als cims adjacents. Per contra, a les regions de la cresta amb les temperatures més baixes (Fig . 4(b)), s'observa que el fluid de les valls adjacents convergeix i s'acumula cap amunt. Una comparació d'aquestes regions revela un flux divergent d'alta-velocitat als abeuradors i un flux convergent de-baixa velocitat a les crestes. Tal com es mostra als camps de flux de la figura . 4(b) i (c), el flux de fluid superficial cap a les crestes provoca un reflux més profund dins de la piscina fosa, tornant des de sota del pic cap a la vall. Aquesta combinació de flux superficial cap a l'exterior i flux inferior cap a l'interior s'organitza en un parell de vòrtexs típics de Marangoni dins de cada cresta i canal de l'estructura periòdica. Comparant les figures, es pot veure a les figures . 4, 5 i 6 que a mesura que les valls s'aprofundeixen, el fluid superficial es limita gradualment dins d'elles (Figs. 4(c), 5(c) i 6(c)). Les valls més profundes corresponen a camps elèctrics locals més forts, suprimint així la difusió tèrmica lateral de la vall als cims adjacents. Això fa que es mantingui un gradient de temperatura més pronunciat a les valls. Per tant, com que les forces que impulsen el moviment del fluid depenen de la temperatura, aquestes forces es confinan cada cop més a les valls. Des de la perspectiva d'augmentar el nombre de polsos, això vol dir que l'energia dels polsos posteriors s'utilitza per aprofundir els solcs existents, en lloc d'ablar els pics ja formats o construir noves estructures. En conseqüència, la diferència d'alçada entre cims i valls augmenta contínuament, donant lloc a un aprofundiment gradual de l'estructura periòdica.
05
Verificació de simulació
Per il·lustrar el procés de formació d'estructures superficials periòdiques impulsades per l'efecte sinèrgic dels efectes electromagnètics i el flux de fluids sota irradiació de polsos múltiples, l'evolució de la morfologia de la superfície observada a l'experiment d'exploració lineal es va comparar amb els resultats del model multifísic iteratiu, tal com es mostra a la figura 7. En l'etapa inicial d'acumulació de polsos a l'experiment, la superfície de material es va cobrir aleatòriament per nanoparticles. ablació-redeposició i transport de fluids foss. A la simulació, vam utilitzar el punt de partida equivalent físic de l'evolució de LIPSS, és a dir, les fosses d'ablació induïdes per làser-. Tant les nanopartícules aleatòries com les fosses d'ablació poden servir com a límits de dispersió per a polsos posteriors, excitant així SPP. Els polsos posteriors estableixen un camp de temperatura periòdic en aquesta superfície no-plana mitjançant la interferència SPP, impulsant la redistribució del material fos durant aquest període. Aleshores, la força de Marangoni i la pressió de retrocés comencen a impulsar la redistribució del fluid fos, afavorint així la formació de LIPSS.
Per validar millor els resultats de la simulació, es va comparar el LIPSS sota il·luminació làser de -punt únic femtosegon amb els resultats de la simulació numèrica. Com es mostra a la figura 8, els dos presenten un alt grau de consistència en la periodicitat espacial. Per quantificar aquest període, es van extreure contorns locals en escala de grisos de la imatge SEM al llarg de la direcció perpendicular al LIPSS, donant un període mitjà d'aproximadament 980 nm per a l'estructura experimental. La figura 8(b) mostra el contorn de la secció transversal-simulat a la mateixa escala espacial. En mapejar el contorn de la superfície simulada a la imatge SEM a les mateixes coordenades i escala, es va observar que les posicions espacials dels cims i valls simulats corresponen estretament a les ratlles brillants i fosques de la imatge SEM. El període simulat és d'aproximadament 960 nm, la qual cosa està en excel·lent acord amb els resultats experimentals mesurats mitjançant el mètode del contorn.
06
Conclusió
Aquest estudi va construir un model multifísic basat en la teoria electromagnètica, la teoria de la dinàmica de fluids i les propietats termofísiques dels materials mitjançant la simulació numèrica. Va explicar des del principi fins al final la formació d'estructures periòdiques sobre superfícies metàl·liques impulsades per l'efecte sinèrgic dels efectes electromagnètics i les inestabilitats del flux de fluids sota tractament làser de femtosegons multi-pols. Mitjançant successives iteracions de pols de simulació a la superfície del material i anàlisi comparativa dels resultats de la simulació amb resultats experimentals, concloem que la formació de LIPSS és el resultat de l'efecte sinèrgic de la dinàmica electromagnètica i de fluids.
La interacció entre el làser de femtosegon incident i la superfície del material, en presència de rugositat superficial, excita els SPP que interfereixen amb la llum incident. Aquest procés genera una deposició d'energia espacialment periòdica i no-uniforme a la superfície del material. Vam confirmar que aquesta rugositat superficial necessària poden ser fosses d'ablació causades pel propi làser, que poden servir com a condicions de límit per a excitants SPP. La morfologia superficial formada pels polsos anteriors actua com una xarxa de difracció per als polsos posteriors, millorant l'eficiència d'acoblament SPP. Una vegada que aquesta energia periòdica és absorbida pel material, es transforma ràpidament en un camp de gradient de temperatura de gelosia corresponent, formant una capa fosa transitòria a la superfície. Aquesta capa fosa extremadament prima, influenciada pel gradient de temperatura periòdic, és físicament altament inestable, activant així el transport de fluids que controla la migració del material. Durant l'etapa de fusió, la força de Marangoni, impulsada per la tensió superficial, migra el fluid fos des de les crestas d'alta-temperatura cap a les crestes de-baixa temperatura, formant un flux divergent d'alta-velocitat a les crestas i un flux convergent de-baixa velocitat a les crestes. A mesura que augmenta el nombre de polsos, els abeuradors s'aprofundeixen gradualment i el fluid superficial es limita gradualment als abeuradors. Durant l'etapa de vaporització, l'augment addicional de la temperatura de la gelosia s'acompanya d'un augment addicional de la pressió de retrocés. En aquest punt, la pressió de retrocés actua com el mecanisme dominant que condueix el fluid, utilitzant una força més forta per conduir el fluid des de la superfície dels abeuradors cap avall cap al subsòl, alhora que desplaça lateralment el fluid cap a les crestes.
